Misterije prekriženih struja - Hall efekt

Krajem prošlog stoljeća mladi američki student fizike Edwin Hall otkrio je otkriće koje je njegovo ime upisao u udžbenike fizike. Proveo je jednostavan, "studentski" eksperiment - proučavao je širenje struje u tankoj metalnoj ploči postavljenoj između polovica jakog elektromagneta. Studenti svih sveučilišta prolaze laboratorijsku praksu, gdje se uz jednostavne primjere podučava vještina eksperimenta. Tako je bilo i ovog puta. Skromni student nije mogao zamisliti da će njegovo jednostavno iskustvo stvoriti lavinu istraživanja, od kojih će neka biti obilježena najčasnijom znanstvenom nagradom - Nobelovom nagradom.

Uređaj s kojim je Hall radio sastojao se od dva poprečno postavljena električna kruga - tako vezuju kutije slatkiša vrpcom. Lanci su se razlikovali po tome što je jedan od njih sadržavao električnu bateriju, a struja iz njega prolazila je duž ploče, druga, poprečno, nije imala strujne izvore i jednostavno je spajala rubove ploče.

Kao što bi se moglo očekivati, u slučaju kada je elektromagnet bio isključen, instrumenti su zabilježili tok struje samo duž ploče - u krugu s baterijom - i njegovu odsutnost u „praznom“ poprečnom krugu. Nije ni čudo. Međutim, čim se elektromagnet uključio, u poprečnom krugu, kao da se iz ničega, električna struja pojavila sama od sebe. Bilo je zanimljivo, ali ovdje nije bilo čuda - objašnjenje je pronađeno prilično brzo. Na elektrone koji se kreću u uzdužnom lancu utječe Lorentzova sila, dobro poznata iz školskog udžbenika, koja odbija elektrone u poprečnom smjeru, što je u poprečnom lancu stvorilo malu struju - sve je elementarno jednostavno.

Više od pola stoljeća, napola zaboravljen, ovaj je fenomen ostao u stražnjem dijelu fizičke znanosti. Ubacili u arhive stručnjake iz mikroelektronike. Isprva se ispostavilo da ako grube mjerne uređaje Hallovog vremena zamijenimo modernim, onda se fenomen koji je otkrio može upotrijebiti za brojanje napunjenih čestica čije gibanje stvara električnu struju, što je vrlo važno za dizajnere tranzistora niskog šuma i drugih vrlo osjetljivih mikroelektronskih uređaja koji rade s vrlo slabim struje i magnetska polja.

Hall-ov efekt pažljivo je proučavan, ne štedeći napor kako bi se poboljšala točnost. Treće, četvrto, peto decimalno mjesto na ljestvici mjernih instrumenata ... I ovdje su se počele pojavljivati ​​nevjerojatne, na prvi pogled, jednostavno nevjerojatne pojave.

Prvi nevjerojatan rezultat dobiven je prije dvadeset godina, krajem sedamdesetih, u eksperimentima s poluvodičkim krugovima u jakom magnetskom polju pri vrlo niskim temperaturama, samo nekoliko stupnjeva udaljen od "apsolutne nule" - 273 stupnja Celzija, kada tvar zamrzne toliko da prestati, svi molekularni pokreti se smrzavaju. Dakle, ako se pri uobičajenim temperaturama blizu sobne temperature, električni otpor u krugu s "Hallovom strujom" postupno povećava s povećanjem magnetskog polja, tada se iz nekog razloga blizu nulte temperature mijenja korak po korak - kao da se glatki put duž kojeg se kreću čestice struje, iznenada zamijenjen popločenim pločnikom s dubokim izbočinama. Glatke krivulje koje su zapisali diktafoni povremeno se zamjenjuju ljestvicama, čija je visina stepenica bila jednaka nekoj konstanti podijeljenoj s cijelim brojevima n = 1, 2, 3, i tako dalje.

I što je još više iznenađujuće - u svakoj fazi otpor u krugu uzdužne struje pada na nulu, tj. Za uzdužnu struju tvar postaje superprovodnik - elektroni se kotrljaju bez ikakvog otpora, ali na zglobovima, kada se kreću iz jedne faze u drugu, otpor naglo skače i superprevodljivost odmah nestaje.Sve je to izgledalo kao neka vrsta zbrke - kako kažu, u Oblonskoj kući se sve miješalo!

Kako objasniti tako čudno ponašanje prekriženih struja? Zašto se ponašaju na potpuno različite načine? Elektrodinamika se pokazala nemoćnom pred ovom zagonetkom ... Navikli smo na činjenicu da se misteriozni fenomeni događaju u složenim eksperimentima s elementarnim česticama ili duboko u svemiru kada je riječ o crnim rupama, eksplozijama galaksija i drugim objektima koji zadivljavaju našu maštu, a ovdje su samo eksperimenti s otporom i strujama. Duž i preko njegovanog područja i - na vas!

V. Barašenkov, E. Kapustsik