Эффект Холла: различия между версиями
[непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
Метки: с мобильного устройства через мобильное приложение |
→Свойства: Исправлена опечатка Метки: с мобильного устройства через мобильное приложение |
||
Строка 17: | Строка 17: | ||
: <math>j=nev\Rightarrow v=\frac{j}{ne},</math> |
: <math>j=nev\Rightarrow v=\frac{j}{ne},</math> |
||
где <math>n</math> — [[Концентрация частиц|концентрация]] носителей заряда. Тогда |
где <math>n</math> — [[Концентрация частиц|концентрация]] носителей заряда. Тогда |
||
: <math>E_1=\frac{1}{ne}jbB |
: <math>E_1=\frac{1}{ne}jbB</math>, где b - толщина образца. |
||
Коэффициент <math>R_H=\frac{1}{ne}</math> пропорциональности между <math>E_1</math> и <math>jB</math> называется '''коэффициентом''' (или '''константой''') '''Холла'''. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа [[металл]]ов. Для некоторых металлов (например, таких, как [[свинец]], [[цинк]], [[железо]], [[кобальт]], [[вольфрам]]), в сильных полях наблюдается положительный знак <math>R_H</math>, что объясняется в [[полуклассическая теория|полуклассической]] и [[квантовая теория твёрдого тела|квантовой]] теориях [[твёрдое тело|твёрдого тела]]. |
Коэффициент <math>R_H=\frac{1}{ne}</math> пропорциональности между <math>E_1</math> и <math>jB</math> называется '''коэффициентом''' (или '''константой''') '''Холла'''. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа [[металл]]ов. Для некоторых металлов (например, таких, как [[свинец]], [[цинк]], [[железо]], [[кобальт]], [[вольфрам]]), в сильных полях наблюдается положительный знак <math>R_H</math>, что объясняется в [[полуклассическая теория|полуклассической]] и [[квантовая теория твёрдого тела|квантовой]] теориях [[твёрдое тело|твёрдого тела]]. |
Версия от 11:37, 23 ноября 2017
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/01/Hall_effect.png/250px-Hall_effect.png)
1. Электроны
2. Зонд
3. Магниты
4. Магнитное поле
5. Источник тока
Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.
Свойства
В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле течёт электрический ток под действием напряжённости . Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости[1] будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/53/Hall-Effect-diagram.svg/220px-Hall-Effect-diagram.svg.png)
Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:
Скорость электронов можно выразить через плотность тока:
где — концентрация носителей заряда. Тогда
- , где b - толщина образца.
Коэффициент пропорциональности между и называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам), в сильных полях наблюдается положительный знак , что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.
Аномальный эффект Холла
Случай появления напряжения (электрического поля) в образце, перпендикулярного направлению пропускаемого через образец тока, наблюдающегося в отсутствие приложенного постоянного магнитного поля (то есть явление, полностью аналогичное эффекту Холла, но наблюдающееся без внешнего постоянного магнитного поля), называется аномальным эффектом Холла.
Необходимым условием для наблюдения аномального эффекта Холла является нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе. Например, аномальный эффект Холла может наблюдаться в образцах с намагниченностью[2].
Квантовый эффект Холла
В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квазидвумерном электронном газе) в системе начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к появлению квантового эффекта Холла: квантованию холловского сопротивления. В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.
Спиновый эффект Холла
В случае отсутствия магнитного поля в немагнитных проводниках может наблюдаться отклонение носителей тока с противоположными направлениями спинов в разные стороны перпендикулярно электрическому полю. Это явление, получившее название спинового эффекта Холла, было теоретически предсказано Дьяконовым и Перелем в 1971 году. Говорят о внешнем и внутреннем спиновых эффектах. Первый из них связан со спин-зависимым рассеянием, а второй — со спин-орбитальным взаимодействием.
Магнетосопротивление
Эдвин Холл проводил опыты в надежде обнаружить возрастание сопротивления проводника в магнитном поле, но в слабых полях не зарегистрировал его. Также оно не следует из теории металлов Друде, расчёты по которой приводились выше. Однако при более строгих расчётах и в сильных полях магнетосопротивление проявляется достаточно хорошо.
Применение
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/95/HallEffCurrentSense.jpg/220px-HallEffCurrentSense.jpg)
Эффект Холла позволяет определить концентрацию и подвижность носителей заряда, а в некоторых случаях − тип носителей заряда (электроны или дырки) в металле или полупроводнике, что делает его достаточно хорошим методом исследования свойств полупроводников (см. Метод ван дер Пау).
На основе эффекта Холла работают датчики Холла — приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли датчика положения ротора (ДПР), который реализует обратную связь по положению ротора и выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном ДПТ.
Датчики Холла применяются:
- в системах электронного зажигания двигателей внутреннего сгорания;
- в приводах дисководов и двигателях вентиляторов компьютерной техники;
- в магнитометрах смартфонов в качестве физической основы работы электронного компаса;
- в электроизмерительных приборах (токоизмерительные клещи, пробники тока) для бесконтактного измерения силы тока (на фото).
- на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей
См. также
- Гальваномагнитные эффекты
- Термогальваномагнитные эффекты
- Расщеплённые холловские структуры
- Магнитогидродинамический эффект
Примечания
- ↑ Критерий малости — внешние воздействия не разрушают присущих физической системе внутренних свойств, не осуществляют «насилия» над системой.
- ↑ Naoto Nagaosa, Jairo Sinova, Shigeki Onoda, A. H. MacDonald and N. P. Ong. Anomalous Hall effect (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2010. — Vol. 82, iss. 2. — P. 1539—1592.
Литература
- Абрикосов А. А. Основы теории металлов. — Москва: «Наука», главная редакция физико-математической литературы, 1987. — 520 с. — ISBN нет, ББК 22.37, УДК 539.21 (075.8).
- Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. — «Мир», 1979.
Ссылки
- Эффект Холла — описание на Effects.ru. копия из веб-архива
- Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. М.: Физматлит, 2006, 368 с, страница 366. (djvu)
Для улучшения этой статьи желательно:
|