Effetto Hall e sensori basati su di esso

L'effetto Hall fu scoperto nel 1879 dallo scienziato americano Edwin Herbert Hall. La sua essenza è la seguente (vedi figura). Se una corrente viene fatta passare attraverso una piastra conduttiva e un campo magnetico viene diretto perpendicolare alla piastra, la tensione appare nella direzione trasversale alla corrente (e alla direzione del campo magnetico): Uh = (RhHlsinw) / d, dove Rh è il coefficiente di Hall, che dipende dal materiale del conduttore; H è l'intensità del campo magnetico; I è la corrente nel conduttore; w è l'angolo tra la direzione della corrente e il vettore di induzione del campo magnetico (se w = 90 °, sinw = 1); d è lo spessore del materiale.

A causa del fatto che l'effetto di uscita è determinato dal prodotto di due quantità (H e I), i sensori Hall sono ampiamente utilizzati. La tabella mostra i coefficienti di Hall per vari metalli e leghe. Denominazioni: Т - temperatura; B è il flusso magnetico; Rh - Coefficiente di Hall in unità di m3 / C.

Gli interruttori di prossimità ad effetto Hall basati sull'effetto Hall sono stati usati all'estero abbastanza ampiamente dall'inizio degli anni '70. I vantaggi di questo interruttore sono l'elevata affidabilità e durata, le dimensioni ridotte e gli svantaggi sono il consumo costante di energia e un costo relativamente elevato.

Il principio di funzionamento del generatore Halle

Il sensore Hall ha un design scanalato. Un semiconduttore si trova su un lato dello slot, attraverso il quale scorre la corrente quando si accende l'accensione e, d'altra parte, un magnete permanente.

In un campo magnetico, gli elettroni in movimento sono influenzati da una forza. Il vettore della forza è perpendicolare alla direzione sia dei componenti magnetici che elettrici del campo.

Se un wafer a semiconduttore (ad esempio, dall'arseniuro di indio o dall'antimonide di indio) viene introdotto in un campo magnetico attraverso l'induzione in una corrente elettrica, allora si verifica una differenza di potenziale sui lati, perpendicolare alla direzione della corrente. La tensione di Hall (Hall EMF) è proporzionale alla corrente e all'induzione magnetica.

C'è uno spazio tra la piastra e il magnete. Nella fessura del sensore c'è uno schermo d'acciaio. Quando non c'è schermo nello spazio, un campo magnetico agisce sulla piastra a semiconduttore e la differenza di potenziale viene rimossa da esso. Se lo schermo si trova nello spazio vuoto, le linee magnetiche di forza si chiudono attraverso lo schermo e non agiscono sulla piastra, in questo caso la differenza di potenziale non si verifica sulla piastra.

Il circuito integrato converte la differenza di potenziale creata sulla piastra in impulsi di tensione negativa di un certo valore all'uscita del sensore. Quando lo schermo è nello spazio vuoto del sensore, ci sarà tensione all'uscita, se non c'è schermo nello spazio vuoto del sensore, allora la tensione all'uscita del sensore è prossima allo zero.

Effetto Hall quantistico frazionario

Molto è stato scritto sull'effetto Hall, questo effetto è ampiamente utilizzato nella tecnologia, ma gli scienziati continuano a studiarlo. Nel 1980 il fisico tedesco Klaus von Klitzung studiò il funzionamento dell'effetto Hall a temperature ultra basse. In una sottile piastra a semiconduttore, von Klitzung ha modificato senza problemi l'intensità del campo magnetico e ha scoperto che la resistenza di Hall non cambia in modo regolare, ma nei salti. L'entità del salto non dipendeva dalle proprietà del materiale, ma era una combinazione di costanti fisiche fondamentali divise per un numero costante. Si è scoperto che le leggi della meccanica quantistica hanno in qualche modo cambiato la natura dell'effetto Hall. Questo fenomeno è stato chiamato effetto Hall quantistico integrale. Per questa scoperta, von Klitzung ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 1985.

Due anni dopo la scoperta di von Klitzung nel laboratorio Bell Telephone (quello in cui è stato aperto il transistor), i dipendenti Stormer e Tsui hanno studiato l'effetto Hall quantistico usando un campione eccezionalmente pulito di grande arsenide di gallio realizzato nello stesso laboratorio.Il campione aveva un grado di purezza così elevato che gli elettroni lo attraversavano da un capo all'altro senza incontrare ostacoli. L'esperimento Stormer e Tsui ha avuto luogo a una temperatura molto più bassa (quasi zero assoluto) e con campi magnetici più potenti rispetto all'esperimento von Klitzung (un milione di volte più di Campo magnetico terrestre).

Con loro grande sorpresa, Stormer e Tsui hanno trovato un salto nella resistenza Hall tre volte maggiore di quello di von Klitzung. Poi hanno scoperto salti ancora maggiori. Il risultato fu la stessa combinazione di costanti fisiche, ma divisa non per un numero intero, ma per un numero frazionario. I fisici caricano un elettrone come una costante che non può essere divisa in parti. E in questo esperimento, per così dire, hanno partecipato particelle con cariche frazionarie. L'effetto era chiamato effetto Hall quantistico frazionario.

Un anno dopo questa scoperta, un dipendente del laboratorio La Flin ha fornito una spiegazione teorica dell'effetto. Ha affermato che la combinazione di temperatura ultra-bassa e un potente campo magnetico fa sì che gli elettroni formino un fluido quantico incomprimibile. Ma la figura che utilizza la computer grafica mostra il flusso di elettroni (sfere) che perforano l'aereo. Le rugosità nel piano rappresentano la distribuzione della carica di uno degli elettroni in presenza di un campo magnetico e la carica di altri elettroni. Se un elettrone viene aggiunto a un liquido quantico, allora si forma una certa quantità di quasiparticelle con una carica frazionaria (nella figura questo è mostrato come un insieme di frecce per ciascun elettrone).
Nel 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui e Robert Laughlin hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica. Attualmente, H. Stormer è professore di fisica alla Columbia University, D. Tsui è professore alla Princeton University e R. Laughlin è professore alla Stanford University.