Что такое эффект Холла

Если спросить человека, знакомого с физикой на уровне лишь базовых знаний о том, что такое эффект Холла и где он применяется, ответа можно не получить. Удивительно, но в реалиях современного мира такое происходит довольно часто. На самом деле эффект Холла используется во многих электротехнических устройствах. К примеру, некогда популярные компьютерные дисководы для дискет определяли начальное положение двигателя с помощью генераторов Холла. Соответствующие датчики «перекочевали» и в схемы современных приводов для компакт-дисков (как CD, так и DVD). Кроме того, области применения включают в себя не только различные измерительные приборы, но даже генераторы электрической энергии, основанные на преобразовании тепла в поток заряженных частиц под действием магнитного поля (МГД).

Видео: Электродинамика | эффект Холла

Эдвин Герберт Холл в 1879 году, проводя опыты с проводящей пластиной, обнаружил беспричинное, на первый взгляд, явление возникновения потенциала (напряжения), при взаимодействии электрического тока и магнитного поля. Но обо всем по порядку.

Давайте сделаем небольшой мысленный эксперимент: возьмем металлическую пластину и пропустим по ней электрический ток. Далее поместим ее во внешнем магнитном поле таким образом, чтобы линии напряженности поля были ориентированы перпендикулярно плоскости проводящей пластины. В результате на гранях (поперек направлению тока) возникнет разность потенциалов. Это и есть эффект Холла. Причиной его появления служит известная сила Лоренца.

Существует способ определить значение возникающего напряжения (иногда называемого потенциалом Холла). Общее выражение приобретает вид:

Uh = Eh * H,

где H – толщина пластины- Eh – напряженность внешнего поля.

Так как потенциал возникает благодаря перераспределению носителей зарядов в проводнике, то он ограничен (процесс не продолжается бесконечно). Поперечное перемещение зарядов прекратится в тот момент, когда значение лоренцовой силы (F= q*v*B) уравняется с противодействием q*Eh (q – заряд).

Видео: Эффект Холла (Hall effect)

Так как плотность тока J равна произведению концентрации зарядов, их скорости и единичного значения q, то есть

J = n*q*v,

соответственно,

v = J / (q*n).

Отсюда следует (связав формулу с напряженностью):

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

Объединим все вышесказанное и определим потенциал холла через значение заряда:

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

Видео: КАК РАБОТАЕТ ДАТЧИК ХОЛЛА [РадиолюбительTV 84]

Эффект Холла позволяет утверждать, что иногда в металлах наблюдается не электронная, а дырочная проводимость. К примеру, это кадмий, бериллий и цинк. Изучая эффект Холла в полупроводниках, никто не сомневался, что носители заряда – «дырки». Однако, как уже было указано, это применимо и к металлам. Считалось, что при распределении зарядов (формировании потенциала Холла) общий вектор будет образован электронами (отрицательный знак). Однако получалось, что в поле ток создают вовсе не электроны. На практике данной свойство используется для определения плотности носителей заряда в полупроводящем материале.

Не менее известен квантовый эффект Холла (1982 год). Он представляет собой одно из свойств проводимости двумерного электронного газа (частицы могут свободно перемещаться лишь в двух направлениях) в условиях сверхнизких температур и высоких внешних магнитных полей. При изучении данного эффекта было открыто существование «дробности». Складывалось впечатление, что заряд формируется не единичными носителями (1+1+1), а составными частями (1+1+0.5). Однако оказалось, что никакие законы не нарушаются. В соответствии с Принципом Паули, вокруг каждого электрона в магнитном поле создается своеобразный вихрь из квантов самого потока. С увеличением интенсивности поля возникает ситуация, когда соответствие «один электрон = один вихрь» перестает выполняться. На каждую частицу приходится несколько квантов магнитного потока. Эти новые частицы как раз и являются причиной дробного результата при эффекте Холла.