Що таке ефект Холла

Якщо запитати людину, знайомого з фізикою на рівні лише базових знань про те, що таке ефект Холла і де він застосовується, відповіді можна не отримати. Дивно, але в реаліях сучасного світу таке 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 провідної 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). Загальний вираз набуває вигляду:

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 продовжується 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 і одиничного значення q, тобто

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 дірковий провідність. Наприклад, це кадмій, берилій і цинк. Вивчаючи ефект Холла в напівпровідниках, ніхто не сумнівався, що носії заряду - «дірки». Однак, як вже було зазначено, це доречно і до металів. Вважалося, що при розподілі зарядів (формуванні потенціалу Холла) загальний вектор буде утворений електронами (негативний знак). Однак виходило, що в полі ток створюють зовсім не електрони. На практиці даної властивість використовується для визначення щільності носіїв заряду в полупроводящей матеріалі.

Не менш відомий квантовий ефект Холла (1982 рік). Він являє собою одне 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 «дробности». 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, навколо кожного електрона в магнітному полі створюється своєрідний вихор з квантів самого потоку. Зі збільшенням інтенсивності поля виникає ситуація, коли відповідність «один електрон = один вихор» перестає виконуватися. На кожну частку доводиться кілька квантів магнітного потоку. Ці нові частинки якраз і є причиною дрібного результату при ефекті Холла.