Що таке ефект холу

Відео: Ефект Холла (Hall effect)

Якщо запитати людину, знайомого з фізикою на рівні лише базових знань про те, що таке ефект Холла і де він застосовується, відповіді годі й отримати. Дивовижно, але в реаліях сучасного світу така відбувається досить часто. Насправді ефект Холла використовується в багатьох електротехнічних пристроях. Наприклад, колись популярні комп`ютерні дисководи для дискет визначали початкове положення двигуна за допомогою генераторів Холла. Відповідні датчики «перекочували» і в схеми сучасних приводів для компакт-дисків (як CD, так і DVD). Крім того, області застосування включають в себе не тільки різні вимірювальні прилади, але навіть генератори електричної енергії, засновані на перетворенні тепла в потік заряджених частинок під дією магнітного поля (МГД).

Едвін Герберт Холл в 1879 році, проводячи досліди з провідної пластиною, виявив безпричинне, на перший погляд, явище виникнення потенціалу (напруги), при взаємодії електричного струму і магнітного поля. Але про все по порядку.

Давайте зробимо невеликий уявний експеримент: візьмемо металеву пластину і пропустимо по ній електричний струм. Далі помістимо її в зовнішньому магнітному полі таким чином, щоб лінії напруженості поля були орієнтовані перпендикулярно площині проводить пластини. В результаті на гранях (поперек напрямку струму) виникне різниця потенціалів. Це і є ефект Холла. Причиною його появи служить відома сила Лоренца.

Існує спосіб Визначити значення виникаючої напруги (іноді званого потенціалом Холла). Загальна вираз набуває вигляду:

Відео: Ефект Холла

Uh = Eh * H,

де H - товщина пластини- Eh - напруженість зовнішнього поля.

Так як потенціал виникає завдяки перерозподілу носіїв зарядів в провіднику, то він обмежений (процес не триває нескінченно). Поперечне переміщення зарядів припиниться в той момент, коли значення лоренцової сили (F = q * v * B) зрівняється з протидією q * Eh (q - заряд).

Так як щільність струму J дорівнює добутку концентрації зарядів, їх швидкості та одиничного значення q, тобто

Відео: Датчики Холла

J = n * q * v,

відповідно,

v = J / (q * n).

Звідси випливає (зв`язавши формулу з напруженістю):

Eh = B * (J / (q * n)).

Об`єднаймо все вищесказане і визначимо потенціал холу через значення заряду:

Uh = (J * B * H) / n * q).

Ефект Холла дозволяє стверджувати, що іноді в металах спостерігається не електронна, а діркова провідність. Наприклад, це кадмій, берилій і цинк. Вивчаючи ефект Холла в напівпровідниках, ніхто не сумнівався, що носії заряду - «дірки». Однак, як було сказано, це може бути застосовано і до металів. Вважалося, що при розподілі зарядів (формуванні потенціалу Холла) загальний вектор буде утворений електронами (негативний знак). Однак виходило, що в поле ток створюють зовсім не електрони. На практиці даної властивість використовується для визначення щільності носіїв заряду в напівпровідний матеріалі.

Не менш відомий квантовий ефект Холла (1982 рік). Він є одним з властивостей провідності двовимірного електронного газу (частки можуть вільно переміщатися лише в двох напрямках) в умовах наднизьких температур і високих зовнішніх магнітних полів. При вивченні даного ефекту було відкрито існування «дробності». Складалося враження, що заряд формується не поодинокими носіями (1 + 1 + 1), а складовими частинами (1 + 1 + 0.5). Однак виявилося, що ніякі закони не порушуються. Відповідно до Принципом Паулі, довкола кожного електрона в магнітному полі створюється своєрідний вихор з квантів самого потока. Зі збільшенням інтенсивності поля виникає ситуація, коли відповідність «один електрон = один вихор» перестає виконуватися. На кожну частку припадає кілька квантів магнітного потоку. Ці нові частинки якраз і є причиною дрібного результату при ефекті Холла.