Efekt Halla i oparte na nim czujniki

Efekt Halla odkrył w 1879 r. Amerykański naukowiec Edwin Herbert Hall. Jego istota jest następująca (patrz rysunek). Jeśli prąd przepływa przez płytkę przewodzącą, a pole magnetyczne jest kierowane prostopadle do płyty, wówczas napięcie pojawia się w kierunku poprzecznym do prądu (i kierunku pola magnetycznego): Uh = (RhHlsinw) / d, gdzie Rh jest współczynnikiem Halla, który zależy od materiału przewodnika; H jest natężeniem pola magnetycznego; Jestem prądem w przewodniku; w jest kątem między kierunkiem prądu a wektorem indukcyjnym pola magnetycznego (jeśli w = 90 °, sinw = 1); d jest grubością materiału.

Ze względu na fakt, że efekt wyjściowy zależy od iloczynu dwóch wielkości (H i I), czujniki Halla są bardzo szeroko stosowane. Tabela pokazuje współczynniki Halla dla różnych metali i stopów. Oznaczenia: Т - temperatura; B jest strumieniem magnetycznym; Rh - Współczynnik Halla w jednostkach m3 / C.

Przełączniki zbliżeniowe z efektem Halla oparte na efekcie Halla były używane od lat 70-tych za granicą. Zaletami tego przełącznika są wysoka niezawodność i trwałość, małe wymiary, a wady to stałe zużycie energii i stosunkowo wysoki koszt.

Zasada działania generatora Hallaale

Czujnik Halla ma konstrukcję szczelinową. Półprzewodnik znajduje się po jednej stronie szczeliny, przez którą przepływa prąd po włączeniu zapłonu, a z drugiej strony magnes trwały.

W polu magnetycznym na poruszające się elektrony działa siła. Wektor siły jest prostopadły do ​​kierunku zarówno pola magnetycznego, jak i elektrycznego pola.

Jeśli płytka półprzewodnikowa (na przykład z arsenku indu lub antymonidu indu) zostanie wprowadzona do pola magnetycznego przez indukcję w prąd elektryczny, wówczas na bokach powstanie różnica potencjałów, prostopadła do kierunku prądu. Napięcie Halla (Hall EMF) jest proporcjonalne do prądu i indukcji magnetycznej.

Między płytką a magnesem jest przerwa. W szczelinie czujnika znajduje się stalowy ekran. Kiedy w szczelinie nie ma ekranu, pole magnetyczne działa na płytkę półprzewodnikową, a różnica potencjałów jest z niej usuwana. Jeśli ekran znajduje się w szczelinie, wówczas magnetyczne linie siły zamykają się przez ekran i nie działają na płytkę, w tym przypadku różnica potencjałów nie występuje na płytce.

Układ scalony przekształca różnicę potencjałów wytworzoną na płytce w ujemne impulsy napięcia o określonej wartości na wyjściu czujnika. Kiedy ekran znajduje się w szczelinie czujnika, na jego wyjściu będzie napięcie, jeśli nie ma ekranu w szczelinie czujnika, wówczas napięcie na wyjściu czujnika jest bliskie zeru.

Ułamkowy kwantowy efekt Halla

Wiele napisano o efekcie Halla, efekt ten jest szeroko stosowany w technologii, ale naukowcy nadal go badają. W 1980 roku niemiecki fizyk Klaus von Klitzung badał działanie efektu Halla w ultra niskich temperaturach. W cienkiej płytce półprzewodnikowej von Klitzung płynnie zmienił natężenie pola magnetycznego i stwierdził, że rezystancja Halla nie zmienia się płynnie, ale w skokach. Wielkość skoku nie zależała od właściwości materiału, ale była kombinacją podstawowych stałych fizycznych podzielonych przez stałą liczbę. Okazało się, że prawa mechaniki kwantowej w jakiś sposób zmieniły naturę efektu Halla. Zjawisko to nazwano integralnym kwantowym efektem Halla. Za to odkrycie von Klitzung otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1985 roku.

Dwa lata po odkryciu von Klitzunga w laboratorium Bell Telephone (tym, w którym tranzystor został otwarty) pracownicy Stormer i Tsui zbadali kwantowy efekt Halla przy użyciu wyjątkowo czystej próbki dużego arsenu galu wykonanego w tym samym laboratorium.Próbka miała tak wysoki stopień czystości, że elektrony przesuwały ją od końca do końca bez napotykania przeszkód. Eksperyment Stormer i Tsui odbył się w znacznie niższej temperaturze (prawie absolutne zero) i przy silniejszych polach magnetycznych niż w eksperymencie von Klitzunga (milion razy więcej niż Ziemskie pole magnetyczne).

Ku ich wielkiemu zaskoczeniu, Stormer i Tsui znaleźli skok w oporze Halla trzy razy większy niż von Klitzung. Potem odkryli jeszcze większe skoki. Rezultatem była ta sama kombinacja stałych fizycznych, ale podzielona nie przez liczbę całkowitą, ale przez liczbę ułamkową. Fizycy ładują elektron jako stałą, której nie można podzielić na części. I w tym eksperymencie uczestniczyły cząstki o ładunkach ułamkowych. Efekt ten nazwano ułamkowym kwantowym efektem Halla.

Rok po tym odkryciu pracownik laboratorium La Flin podał teoretyczne wyjaśnienie efektu. Stwierdził, że połączenie ultra niskiej temperatury i silnego pola magnetycznego powoduje, że elektrony tworzą nieściśliwy płyn kwantowy. Ale rysunek wykorzystujący grafikę komputerową pokazuje przepływ elektronów (kulek) przebijających samolot. Chropowatości w płaszczyźnie reprezentują rozkład ładunku jednego z elektronów w obecności pola magnetycznego i ładunku innych elektronów. Jeśli elektron zostanie dodany do cieczy kwantowej, powstaje pewna ilość kwazycząstek o ładunku ułamkowym (na rysunku pokazano to jako zestaw strzałek dla każdego elektronu).
W 1998 roku Horst Stormer, Daniel Tsui i Robert Laughlin zostali nagrodzeni Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Obecnie H. Stormer jest profesorem fizyki na Columbia University, D. Tsui jest profesorem na Princeton University, a R. Laughlin jest profesorem na Uniwersytecie Stanforda.