Μυστήρια διασταυρούμενων ρευμάτων - Hall Effect

Στα τέλη του περασμένου αιώνα, ένας νέος Αμερικανός σπουδαστής φυσικής Edwin Hall έκανε μια ανακάλυψη που εισήγαγε το όνομά του στα εγχειρίδια της φυσικής. Διεξήγαγε ένα απλό, "μαθησιακό" πείραμα - μελετούσε την διάδοση του ρεύματος σε μια λεπτή μεταλλική πλάκα τοποθετημένη ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη. Οι μαθητές όλων των πανεπιστημίων υποβάλλονται σε εργαστηριακή πρακτική, όπου διδάσκονται με απλά παραδείγματα την ικανότητα του πειράματος. Έτσι ήταν αυτή τη φορά. Ένας ταπεινός μαθητής δεν θα μπορούσε να φανταστεί ότι η απλή του εμπειρία θα δημιουργούσε μια χιονοστιβάδα έρευνας, μερικές από τις οποίες θα χαρακτηρίζονται από το πιο αξιόλογο επιστημονικό βραβείο - το βραβείο Νόμπελ.

Η συσκευή με την οποία λειτούργησε το Hall αποτελούταν από δύο εγκάρσια διατεταγμένα ηλεκτρικά κυκλώματα - έτσι συνδέουν ένα κιβώτιο γλυκών με μια κορδέλα. Οι αλυσίδες διέφεραν στο ότι ένα από αυτά περιείχε μια ηλεκτρική μπαταρία και το ρεύμα από αυτό πέρασε κατά μήκος της πλάκας, το άλλο, εγκάρσια, δεν είχε πηγές ρεύματος και απλά συνδέει τις άκρες της πλάκας.

Όπως αναμενόταν, στην περίπτωση που ο ηλεκτρομαγνήτης ήταν απενεργοποιημένος, τα όργανα κατέγραψαν τη ροή ρεύματος μόνο κατά μήκος της πλάκας - στο κύκλωμα με την μπαταρία - και την απουσία της στο "κενό" εγκάρσιο κύκλωμα. Δεν είναι απορίας. Ωστόσο, μόλις ενεργοποιηθεί ο ηλεκτρομαγνήτης, ένα ηλεκτρικό ρεύμα από μόνο του εμφανίστηκε στο εγκάρσιο κύκλωμα, σαν να μην από τίποτα. Ήταν ενδιαφέρον, αλλά δεν υπήρχε θαύμα εδώ - μια εξήγηση βρέθηκε αρκετά γρήγορα. Τα ηλεκτρόνια που κινούνται σε μια διαμήκη αλυσίδα επηρεάζονται από τη δύναμη Lorentz, γνωστή από το σχολικό βιβλίο, εκτρέποντας ηλεκτρόνια στην εγκάρσια κατεύθυνση, τα οποία δημιουργούν ένα μικρό ρεύμα στην εγκάρσια αλυσίδα - όλα είναι στοιχειωδώς απλά.

Για περισσότερο από μισό αιώνα, μισό ξεχασμένο, αυτό το φαινόμενο παρέμεινε στο πίσω μέρος της φυσικής επιστήμης. Βάλτε το στα αρχεία ειδικών μικροηλεκτρονικής. Αρχικά αποδείχθηκε ότι αν οι χονδροειδείς μετρητές της εποχής του Hall αντικαταστάθηκαν από σύγχρονες, τότε το φαινόμενο που ανακαλύφθηκε από αυτόν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει τον αριθμό των φορτισμένων σωματιδίων των οποίων η κίνηση παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο είναι πολύ σημαντικό για τους σχεδιαστές τρανζίστορ χαμηλού θορύβου και άλλων εξαιρετικά ευαίσθητων μικροηλεκτρονικών συσκευών που λειτουργούν με πολύ αδύναμα ρεύματα και μαγνητικά πεδία.

Το φαινόμενο Hall είχε μελετηθεί προσεκτικά, χωρίς να προσπαθεί να βελτιώσει την ακρίβεια. Το τρίτο, τέταρτο, πέμπτο δεκαδικό ψηφίο στις κλίμακες των οργάνων μέτρησης ... Και εδώ εκπληκτικό, με την πρώτη ματιά, απλά απίστευτα φαινόμενα άρχισαν να εμφανίζονται.

Το πρώτο καταπληκτικό αποτέλεσμα αποκτήθηκε πριν από είκοσι χρόνια, στα τέλη της δεκαετίας του '70, σε πειράματα με κυκλώματα ημιαγωγών σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μόνο λίγα βαθμούς μακριά από το «απόλυτο μηδέν» - 273 βαθμούς Κελσίου, όταν η ουσία πάγωσε τόσο πολύ που παύουν, όλες οι μοριακές κινήσεις να παγώσουν. Έτσι, εάν σε κανονικές θερμοκρασίες κοντά στην θερμοκρασία δωματίου, η ηλεκτρική αντίσταση στο κύκλωμα με το "ρεύμα Hall" αυξάνεται σταδιακά με το αυξανόμενο μαγνητικό πεδίο, στη συνέχεια κοντά στη θερμοκρασία μηδέν, για κάποιους λόγους αλλάζει τα άλματα - σαν μια ομαλή διαδρομή κατά την οποία κινούνται τα σωματίδια ρεύματος, ξαφνικά αντικαταστάθηκε από πλακόστρωτο πεζοδρόμιο. Οι ομαλές καμπύλες που έγραψαν οι καταγραφείς αντικαθίστανται κατά διαστήματα από μια "σκάλα", το ύψος των βημάτων των οποίων ήταν ίσο με μερικές σταθερές διαιρούμενες με ακέραιους αριθμούς n = 1, 2, 3 κ.ο.κ.

Και αυτό που είναι ακόμη πιο περίεργο - σε κάθε στάδιο η αντίσταση στο κύκλωμα διαμήκους ρεύματος πέφτει στο μηδέν, δηλαδή για το διαμήκη ρεύμα η ουσία γίνεται υπεραγωγός - τα ηλεκτρόνια κυλούν χωρίς αντίσταση, αλλά στις διασταυρώσεις, όταν μετακινούνται από το ένα στάδιο στο άλλο, η αντίσταση πηδάει απότομα και η υπεραγωγιμότητα εξαφανίζεται αμέσως.Όλα αυτά έμοιαζαν με κάποια σύγχυση - όπως λένε, τα πάντα ανακατεύονται στο σπίτι του Oblonsky!

Πώς να εξηγήσετε μια παράξενη συμπεριφορά των διασταυρωμένων ρευμάτων; Γιατί συμπεριφέρονται με εντελώς διαφορετικούς τρόπους; Η ηλεκτροδυναμική αποδείχθηκε ανίσχυρη μπροστά σε αυτό το αίνιγμα ... Είμαστε εξοικειωμένοι με το γεγονός ότι μυστηριώδη φαινόμενα συμβαίνουν σε σύνθετα πειράματα με στοιχειώδη σωματίδια ή βαθιά στο χώρο όταν πρόκειται για μαύρες τρύπες, εκρήγνυται γαλαξίες και άλλα αντικείμενα που εκπλήσσουν τη φαντασία μας, και εδώ είναι απλά πειράματα με αντίσταση και ρεύματα. Σε όλη την περιποιημένη περιοχή και - σε σας!

V. Barashenkov, E. Kapustsik