ჰოლის ეფექტი

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                           ჰოლის ეფექტი

ჰოლის ეფექტი 1 - ელექტრონები, 2 - ზონდი, 3 - მაგნიტები, 4 - მაგნიტური ველი, 5 - დენის წყარო.

ჰოლის ეფექტი არის პოტენციური სხვაობის (ჰოლ ძაბვის) ელექტრულ გამტარში გამოჩენა განივი მაგნიტურ ველში მოთავსებული ნიმუშის კიდეებზე, როდესაც დენი მიედინება ველზე პერპენდიკულარულად. ჰოლის ძაბვა, მაგნიტური ველისა და დენის სიძლიერის პროპორციული, აღმოაჩინა ედვინ ჰოლმა 1879 წელს და ეფექტს მისი სახელი დაარქვეს.

ჰოლის ეფექტი შეიძლება რაოდენობრივად დახასიათდეს ჰოლის კოეფიციენტის გამოყენებით, რომელიც განისაზღვრება, როგორც ინდუცირებული ელექტრული ველის თანაფარდობა დენის სიმკვრივისა და გამოყენებული პერპენდიკულარული მაგნიტური ველის ნამრავლთან. ეს არის იმ მასალის მახასიათებელი, საიდანაც მზადდება გამტარი, რადგან მისი ღირებულება დამოკიდებულია მუხტის მატარებლების ტიპზე, რაოდენობასა და თვისებებზე.

ჰოლის ეფექტების მრავალი სახეობის გამო, სიცხადისთვის თავდაპირველ ეფექტს ზოგჯერ უწოდებენ ჩვეულებრივ ჰოლის ეფექტს, რათა განასხვავოს იგი სხვა ტიპებისგან, რომლებსაც შეიძლება ჰქონდეთ დამატებითი ფიზიკური მექანიზმები, მაგრამ ეფუძნება იმავე საფუძვლებს.

იხ. ვიდეო - ჰოლის ეფექტი

არმოჩენა - შრომში "ძალის ფიზიკური ხაზების შესახებ", რომელიც ოთხ ნაწილად გამოიცა 1861-1862 წლებში. მიუხედავად იმისა, რომ მაქსველის ნაშრომმა შექმნა მყარი მათემატიკური საფუძველი ელექტრომაგნიტიზმის თეორიისთვის, თეორიის დეტალური დეტალები ჯერ კიდევ გამოკვლეულია. ერთ-ერთი ასეთი კითხვა ეხებოდა მაგნიტებისა და ელექტრული დენის ურთიერთქმედების მექანიზმებს, მათ შორის, ურთიერთქმედებს თუ არა მაგნიტური ველები გამტარებთან თუ თავად ელექტრო დენთან. ედვინ ჰოლმა, ამ საკითხის განხილვისას, ვარაუდობს, რომ დენი უნდა გადახრილიყო მაგნიტურ ველში მოთავსებულ გამტარში, რადგან:

თუ სტაციონარული გამტარში ელექტრული დენი თავად იზიდავს მაგნიტს, დენი უნდა გადახრილი იყოს მავთულის ერთ მხარეს და, შესაბამისად, გამოცდილი წინააღმდეგობა უნდა გაიზარდოს.

ორიგინალური ტექსტი (ინგლისური)

1879 წელს მან გამოიკვლია ეს ურთიერთქმედება და აღმოაჩინა ჰოლის ეფექტი თხელ ოქროს ფირფიტებში, როდესაც მუშაობდა დოქტორანტურაზე ბალტიმორში, მერილენდის ჯონ ჰოპკინსის უნივერსიტეტში. განივი მაგნიტორეზისტენტობის დაკვირვების უარყოფითი შედეგის მიუხედავად, მან წარმატებით გაზომა პოტენციური სხვაობის წარმოშობა ნიმუშის კიდეებზე . ელექტრონის აღმოჩენამდე თვრამეტი წლით ადრე, მის მიერ გამოყენებულ აპარატში დაფიქსირებული მცირე ეფექტის გაზომვა იყო ფენომენალური ექსპერიმენტული მიღწევა, გამოქვეყნებული სათაურით "მაგნიტის ახალი მოქმედების შესახებ ელექტრო დენებზე". ედვინ ჰოლმა ვერ აღმოაჩინა გამტარის წინააღმდეგობის გაზრდა მაგნიტურ ველში, რადგან მან გამოიყენა სუსტი ველები. ასევე, მაგნიტორეზისტენტობა არ გამომდინარეობს ლითონების დრუდის თეორიიდან, რომლის გამოთვლები მოცემულია ქვემოთ. თუმცა, უფრო მკაცრი გამოთვლებით და ძლიერ მაგნიტურ ველებში, მაგნიტორეზისტენტობა საკმაოდ კარგად ჩანს.

ელექტრონების ჰოლის ეფექტის გაზომვის ინსტალაცია. თავდაპირველად, ელექტრონები მოძრაობენ მრუდი ისრით მაგნიტური ძალის (ლორენცის ძალის) გამო. დენის მატარებელი კონტაქტებიდან გარკვეულ მანძილზე ელექტრონები გროვდება მარცხენა მხარეს და გამოდიან მარჯვენა მხრიდან, რაც ქმნის ელექტრულ ველს ξy მოცემული VH-ის მიმართულებით. VH ძაბვა უარყოფითია ზოგიერთი ნახევარგამტარებისთვის, სადაც "ხვრელები" მიედინება. სტაბილურ მდგომარეობაში, ξy საკმარისად ძლიერი იქნება ლორენცის ძალის ზუსტად გასაუქმებლად, ასე რომ ელექტრონები საშუალოდ მოძრაობენ გატეხილი სწორი ისრის გასწვრივ.

ჰოლის ეფექტი დაკავშირებულია დირიჟორში მიმდინარე მატარებლების ბუნებასთან. დენი განიხილება, როგორც მრავალი წვრილი მუხტის მატარებლის მიმართული მოძრაობა, როგორც წესი, ელექტრონები - უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკები, მაგრამ სხვა კვაზინაწილაკები - ხვრელები, რომლებიც დადებით მუხტს ატარებენ, ასევე შეიძლება გამოჩნდნენ მყარ სხეულში. მაგნიტური ველის თანდასწრებით, მოძრავი მუხტები განიცდიან ძალას, რომელსაც ლორენცის ძალა ჰქვია. როდესაც ასეთი მაგნიტური ველი არ არის, მუხტები მიჰყვება დაახლოებით სწორ ბილიკებს მინარევებისაგან, ფონონებთან და სხვა დეფექტებთან შეჯახებას შორის. შეჯახებებს შორის დროს ეწოდება თავისუფალი ბილიკის დრო. დენის მიმართულებაზე პერპენდიკულარული კომპონენტის მქონე მაგნიტური ველის გამოყენებისას, მათი ბილიკები შეჯახებებს შორის იღუნება ისე, რომ საბოლოო ნიმუშში, გარკვეული ნიშნის მუხტები გროვდება მის ერთ-ერთ მხარეს, ხოლო მუხტი საპირისპირო ნიშნით. გროვდება მეორე მხარეს. შედეგი არის მუხტის სიმკვრივის ასიმეტრიული განაწილება ნიმუშზე, დენის მიმართულების და გამოყენებული მაგნიტური ველის მიმართ პერპენდიკულარული ძალის შედეგად. საპირისპირო ნიშნის მუხტების განცალკევება ქმნის ელექტრულ ველს, რომელიც ხელს უშლის მუხტის დიფუზიას და შემდგომ დაგროვებას ნიმუშის საზღვრებში, ამიტომ მუდმივი ელექტრული პოტენციალი იქმნება დენის გადინებისას.

კლასიკურ ელექტრომაგნიტიზმში ელექტრონები მოძრაობენ I დენის მიმართულების საპირისპირო მიმართულებით (პირობითად „დენი“ აღწერს დადებითად დამუხტული ნაწილაკების თეორიულ ნაკადს). ზოგიერთ ლითონსა და ნახევარგამტარებში დადებითად დამუხტული ნაწილაკები - "ხვრელები" - თითქოს მიედინება, რადგან ჰოლის ძაბვის ნიშანი ეწინააღმდეგება ქვემოთ მოცემულ ელექტრონებს.

ხანგრძლივობა: 46 წამი.0:46

ანიმაცია, რომელიც აჩვენებს მარტივ პრინციპს.

მარტივი ლითონისთვის, რომელშიც არის მხოლოდ ერთი ტიპის მუხტის მატარებელი (ელექტრონები), ჰოლის ძაბვა VH მიიღება ლორენცის ძალის გამოყენებით და იმ პირობით, რომ სტაციონარული მდგომარეობაში მუხტები არ უნდა მოძრაობდნენ y ღერძის გასწვრივ. ამრიგად, y ღერძის მიმართულებით თითოეულ ელექტრონზე მოქმედი მაგნიტური ძალა კომპენსირდება y ღერძის გასწვრივ ელექტრული ველით მუხტების დაგროვების გამო. ტერმინი vx არის დენის დრიფტის სიჩქარე, რომელიც ამ ეტაპზე კონვენციით განიხილება როგორც ხვრელი. ტერმინი vxBz უარყოფითია y-ღერძის მიმართულებით მარჯვენა ხელის წესის მიხედვით.

მდგრად მდგომარეობაში F = 0, ამიტომ 0 = E_y − v_xB_z სადაც E_y  მოცემულია y მიმართულებით (არა ინდუცირებული ელექტრული ველის ისრით ξ_y  როგორც გამოსახულებაში (მიუთითებს −y მიმართულებით), რომელიც გვიჩვენებს, სად არის მიმართული ელექტრონების მიერ გამოწვეული ველი).

ელექტრონები ხვრელების ნაცვლად სადენებში მიედინება, ასე რომ თქვენ უნდა გააკეთოთ ჩანაცვლებები

v_x → −v_x и q → −q . Также E_y = −V_H/w

${\displaystyle V_{\mathrm{H}}=v_x{B}_{z}w}$~

ჩვეულებრივი "ხვრელის" დენი მიმართულია ელექტრონის დენის და უარყოფითი ელექტრული მუხტის უარყოფითი მიმართულებით, რაც იძლევა

I_x = ntw(−v_x)(−e) სადაც n 

მუხტის მატარებლის სიმკვრივეა, tw - 

კვეთის ფართობი და -e არის თითოეული ელექტრონის მუხტი. ამისთვის გადაჭრა

ვ

{\di w} და ზემოაღნიშნული გამოხატულებით ჩანაცვლება იძლევა Hall-ის ძაბვას:

თუ მუხტის დაგროვება დადებითი იქნებოდა (როგორც ზოგიერთ მეტალსა და ნახევარგამტარში), მაშინ გამოსახულებაში VH მნიშვნელობა იქნებოდა უარყოფითი (დადებითი მუხტი წარმოიქმნება მეორე - მარცხენა მხარეს).

ჰოლის კოეფიციენტი განისაზღვრება როგორც j - 

ელექტრონის მატარებლის დენის სიმკვრივე, а E_y ინდუცირებული ელექტრული ველი. SI ერთეულებში ეს შეიძლება დაიწეროს როგორც

(RH-ის ერთეულები, როგორც წესი, გამოხატულია m3/C, ohm cm/G ან სხვა ვარიაციებში. შედეგად, ჰოლის ეფექტი ძალიან სასარგებლოა, როგორც მუხტის მატარებლის სიმკვრივის ან მაგნიტური ველის სიდიდისა და მიმართულების გაზომვის საშუალება.

ჰოლის ეფექტის ერთ-ერთი ძალიან მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ის, რომ ის განასხვავებს ერთი მიმართულებით მოძრავ დადებით მუხტებს და საპირისპირო მიმართულებით მოძრავ უარყოფით მუხტებს შორის. ზემოთ მოცემულ დიაგრამაზე ნაჩვენებია ჰოლის ეფექტი უარყოფითი მუხტის მატარებლებთან (ელექტრონებთან). მაგრამ თუ იმავე პირობებში: მაგნიტური ველი და დენი, გამოვიყენებთ დენის მატარებლების განსხვავებულ ნიშანს, მაშინ ჰოლის ეფექტი ცვლის ნიშანს. რა თქმა უნდა, ნაწილაკი უნდა მოძრაობდეს ელექტრონის საპირისპირო მიმართულებით, რომ დენი იგივე იყოს - დიაგრამაზე ქვემოთ და არა ელექტრონის მსგავსად ზემოთ. და ამგვარად, მნემონიურად რომ ვთქვათ, ლორენცის ძალის კანონში თქვენი ცერა თითი, რომელიც წარმოადგენს (ნოციალურ) დენს, მიუთითებს იმავე მიმართულებით, როგორც ადრე, რადგან დენი იგივეა - ზემოთ მოძრავ ელექტრონს აქვს იგივე დენი და დადებითი მუხტი. ქვევით მოძრაობს. და იგივე თითებით (მაგნიტური ველი) მუხტის მატარებელი იხრება დიაგრამაზე მარცხნივ, მიუხედავად იმისა, დადებითია თუ უარყოფითი. მაგრამ თუ დადებითი მატარებლები გადახრილია მარცხნივ, ისინი ქმნიან შედარებით დადებით ძაბვას მარცხნივ, ხოლო უარყოფითი მატარებლები (კერძოდ ელექტრონები) ქმნიან უარყოფით ძაბვას მარცხნივ, როგორც ეს ნაჩვენებია დიაგრამაზე. ამრიგად, იგივე დენისა და მაგნიტური ველისთვის, ჰოლის ძაბვის პოლარობა დამოკიდებულია გამტარის შიდა ბუნებაზე და სასარგებლოა მისი მუხტის თვისებების გასარკვევად.

ჰოლის ეფექტის ამ თვისებამ წარმოადგინა პირველი რეალური მტკიცებულება იმისა, რომ ელექტრული დენები მეტალების უმეტესობაში გადატანილია მოძრავი ელექტრონებით და არა პროტონებით. მან ასევე აჩვენა, რომ ზოგიერთ ნივთიერებაში (განსაკუთრებით p-ტიპის ნახევარგამტარებში), პირიქით, უფრო მიზანშეწონილია ვიფიქროთ დენი, როგორც მოძრავი დადებითი „ხვრელები“, ვიდრე უარყოფითი ელექტრონები. ასეთ მასალებში ჰოლის ეფექტთან დაბნეულობის საერთო წყაროა ის, რომ ხვრელები, რომლებიც მოძრაობენ ერთი მიმართულებით, სინამდვილეში არის ელექტრონები, რომლებიც მოძრაობენ საპირისპირო მიმართულებით. როგორც მეტალების უმეტესობაში და n ტიპის ნახევარგამტარებში. ამასთან, შეინიშნება ჰოლის ძაბვის საპირისპირო პოლარობა, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ მუხტის მატარებლები დადებითია. თუმცა, რა თქმა უნდა, p-ტიპის ნახევარგამტარებში არ არსებობს რეალური პოზიტრონები ან სხვა დადებითი ელემენტარული ნაწილაკები, რომლებიც ატარებენ მუხტს, აქედან მომდინარეობს სახელწოდება "ხვრელი". ისევე, როგორც მინაში სინათლის ზედმეტად გამარტივებული სურათი, როდესაც ფოტონები შეიწოვება და ხელახლა ასხივებენ რეფრაქციის ასახსნელად, იშლება უფრო მჭიდრო დათვალიერებისას, ეს აშკარა წინააღმდეგობა ასევე შეიძლება გადაწყდეს მხოლოდ თანამედროვე კვანტური კვაზინაწილაკების თეორიით, რომელშიც შესაძლებელია მრავალი ნაწილაკების კოლექტიური კვანტური მოძრაობა. , რეალური ფიზიკური გაგებით, განიხილება როგორც ცალკე ნაწილაკი (თუმცა არა ელემენტარული).

ამასთან დაკავშირებით, გამტარ ნიმუშში არაჰომოგენურობამ შეიძლება გამოიწვიოს ყალბი ჰოლის ეფექტის ხელმოწერა, თუნდაც ვან დერ პაუს ელექტროდის იდეალური კონფიგურაციის შემთხვევაში. მაგალითად, ჰოლის ეფექტი, რომელიც შეესაბამება პოზიტიურ მატარებლებს, აშკარად დაფიქსირდა n ტიპის ნახევარგამტარებში. ერთგვაროვან მასალებში არტეფაქტების კიდევ ერთი წყარო ჩნდება, როდესაც ნიმუშის სიგრძისა და სიგანეზე ასპექტის თანაფარდობა არ არის საკმარისად დიდი: სრული ჰოლის ძაბვა ხდება მხოლოდ დენის მატარებელი კონტაქტებისგან მოშორებით, ვინაიდან განივი ძაბვა მოკლე ჩართულია კონტაქტებზე. .