Mysteries of Crossed Currents - Hall Effect

Aan het einde van de vorige eeuw deed een jonge Amerikaanse student natuurkunde Edwin Hall een ontdekking die zijn naam invoerde in natuurkundeboeken. Hij voerde een eenvoudig, 'student'-experiment uit - hij bestudeerde de voortplanting van stroom in een dunne metalen plaat die tussen de polen van een sterke elektromagneet werd geplaatst. Studenten van alle universiteiten ondergaan laboratoriumpraktijk, waar ze met eenvoudige voorbeelden de vaardigheid van het experiment leren. Zo was het deze keer. Een bescheiden student had zich niet kunnen voorstellen dat zijn eenvoudige ervaring zou leiden tot een lawine aan onderzoek, waarvan sommige worden gekenmerkt door de meest eervolle wetenschappelijke prijs - de Nobelprijs.

Het apparaat waarmee Hall werkte bestond uit twee dwars geplaatste elektrische circuits - zo binden ze een doos snoepjes met een lint. De kettingen verschilden in die zin dat een ervan een elektrische batterij bevatte en dat de stroom ervan langs de plaat stroomde, de andere, dwars, geen stroombronnen had en eenvoudig de randen van de plaat verbond.

Zoals verwacht, registreerden de instrumenten in het geval dat de elektromagneet werd uitgeschakeld alleen de stroom langs de plaat - in het circuit met de batterij - en de afwezigheid ervan in het "lege" transversale circuit. Geen wonder. Zodra de elektromagneet aangreep, verscheen er echter zelf een elektrische stroom in het transversale circuit, alsof het uit niets kwam. Het was interessant, maar er was hier geen wonder - een verklaring werd vrij snel gevonden. Elektronen die in een longitudinale ketting bewegen, worden beïnvloed door de Lorentz-kracht, bekend uit het schoolboek, die elektronen in de dwarsrichting afbuigt, waardoor een kleine stroom in de dwarsketen werd gegenereerd - alles is elementair eenvoudig.

Al meer dan een halve eeuw, half vergeten, blijft dit fenomeen achter in de natuurwetenschappen. Gegraven in de archieven door specialisten in micro-elektronica. In eerste instantie bleek dat als de grove meetapparaten van de Hall-tijd werden vervangen door moderne, het door hem ontdekte fenomeen kon worden gebruikt om het aantal geladen deeltjes te tellen waarvan de beweging een elektrische stroom genereert, wat erg belangrijk is voor ontwerpers van geluidsarme transistors en andere zeer gevoelige micro-elektronische apparaten die werken met zeer zwakke stromingen en magnetische velden.

Het Hall-effect werd zorgvuldig bestudeerd, zonder moeite te doen om de nauwkeurigheid te verbeteren. De derde, vierde, vijfde decimale plaats op de weegschaal van meetinstrumenten ... En hier verbazingwekkend, op het eerste gezicht, begonnen gewoon ongelooflijke fenomenen te verschijnen.

Het eerste verbluffende resultaat werd twintig jaar geleden, eind jaren zeventig, verkregen bij experimenten met halfgeleidercircuits in een sterk magnetisch veld bij zeer lage temperaturen, slechts enkele graden verwijderd van "absoluut nul" - 273 graden Celsius, wanneer de stof zoveel bevriest dat stop, alle moleculaire bewegingen bevriezen. Dus als bij gewone temperaturen dicht bij kamertemperatuur de elektrische weerstand in het circuit met de "Hall-stroom" geleidelijk toeneemt met toenemend magnetisch veld, dan verandert het om de een of andere reden in de buurt van de temperatuur nul stapsgewijs - alsof een glad pad waarlangs stroomdeeltjes bewegen, plotseling vervangen door een verharde met diepe bulten bestrating. De vloeiende curven die de recorders schreven, worden met tussenpozen vervangen door een "ladder", waarvan de hoogte gelijk was aan een constante gedeeld door gehele getallen n = 1, 2, 3, enzovoort.

En wat nog verrassender is - in elke fase daalt de weerstand in het longitudinale stroomcircuit naar nul, dat wil zeggen, voor de longitudinale stroom wordt de substantie een supergeleider - de elektronen rollen zonder enige weerstand, maar bij de verbindingen, bij het verplaatsen van de ene fase naar de andere, springt de weerstand scherp en supergeleiding verdwijnt meteen.Dit alles leek op een soort verwarring - zoals ze zeggen, alles was door elkaar in het Oblonsky-huis!

Hoe kan je zo'n vreemd gedrag van gekruiste stromingen verklaren? Waarom gedragen ze zich op totaal verschillende manieren? Elektrodynamica bleek machteloos voor dit raadsel ... We zijn gewend aan het feit dat mysterieuze fenomenen zich voordoen in complexe experimenten met elementaire deeltjes of diep in de ruimte als het gaat om zwarte gaten, exploderende sterrenstelsels en andere objecten die onze verbeelding verbazen, en hier zijn slechts experimenten met weerstand en stromingen. Langs en over het geprepareerde gebied en - op jou!

V. Barashenkov, E. Kapustsik