Эффект Холла.
Эффект
Холла относится к группе гальваномагнитных
явлений и заключается в том, что под
действием магнитного поля, перпендикулярного
к электрическому току, электроны в
материале отклоняются перпендикулярно
как направлению электрического тока,
так и магнитного поля. С помощью эффекта
Холла стало возможным понять суть
процессов проводимости в полупроводниках
и провести грань между полупроводниками
и другими типами плохо проводящих
материалов. Это обусловлено тем, что
измерение ЭДС (разности потенциалов)
Холла, возникающей в материале
перпендикулярно направлению электрического
тока и внешнего магнитного поля, дает
возможность непосредственно определить
концентрацию и знак носителей заряда.
Последнее позволяет определить
принадлежность материала к тому или
иному типу полупроводников (p или n–типа).
Измерения эффекта Холла дают возможность
отделить случай ионной проводимости
от случая электронной проводимости.
Этот эффект был открыт Е.Холлом в 1879 г.. Сущность явления заключается в следующем. Если металлическую или полупроводниковую пластину, по которой проходит ток, поместить в магнитное поле, направленное перпендикулярно линиям тока (рис.5), то в ней возникает разность потенциалов в направлении перпендикулярном току и магнитному полю.
В основе эффекта лежит взаимодействие
между электрическими зарядами и
магнитными полями. Любая заряженная
частица, движущаяся в магнитном поле,
испытывает действие силы Лоренца,
направление которой перпендикулярно
направлению движения частицы и направлению
магнитного поля.
(0.1)
Для металлов и для полупроводников n-типа q = -|e|, где |e|— модуль заряда электрона.
Модуль векторного произведения:
(0.2)
У
Рис. 5. Схема возникновения эффекта Холла в полупроводнике n-типа.
словимся, что магнитное поле направлено строго перпендикулярно вектору скорости частиц. Т. е. угол α между векторами и равен 900, а sin(90(1)
Под
действием силы Лоренца электроны
отклоняются к ближней боковой грани
пластины рис. 5 и заряжают ее отрицательно.
На противоположной грани остается
нескомпенсированный положительный
заряд ионов кристаллической решетки.
В результате этого в пластине возникает
поперечное электрическое поле ,
направленное от дальней боковой грани
к ближней.
Обозначим напряженность
образовавшегося электрического поля
через .
Сила
, действующая со стороны электрического
поля на заряд, направлена в сторону,
противоположную направлению силы
Лоренца
(рис. 5). Возникшая вследствие этого поперечная
разность потенциалов Ux называется ЭДС Холла.
Разделение зарядов в образце продолжается до тех пор, пока силы магнитного и электрического полей не уравновесят друг друга, т. е.:
(2)
Откуда находим:
(3)
Считаем поле , образовавшееся в пластинке однородным. Тогда находим:
→ (4)
где d – толщина пластинки в направлении поля Ex (рис. 5).
С учетом выражения (3) получаем, что:
(5)
Сила тока,
протекающего через единицу поверхности
образца, т.
е. плотность тока, равна:
(5.1)
А модуль выражения (5.1) найдем как:
(5.2)
где n – число носителей тока в единице объема образца (концентрация носителей тока).
(5.3)
где а— ширина пластины в направлении векторарис. 5.
Сопоставляя формулы (5.2) и (5.3), находим:
(5.4)
Выражая из (5.4) скорость электронов v, находим:
(6)
Подставив (6) в (5), получим:
(7)
Обозначим
гдеRх — постоянная
или коэффициент Холла.
(Условно
считают, что знак постоянной Холла
совпадает со знаком заряда носителей
тока. У электронных полупроводников
постояннаяRотрицательна, у дырочных-
положительна, гдеp– концентрация
дырок).
Тогда выражение (7) записывается в виде:
(8)
Таким образом, ЭДС Холла зависит от величины проходящего тока, индукции магнитного поля, ширины пластины и концентрации носителей заряда. Зависимость от концентрации говорит о том, что в металлах ЭДС Холла по сравнению с полупроводниками намного меньше, и поэтому использование эффекта Холла началось только с применением полупроводников.
При выводе формулы для U мы полагали, что все носители заряда имеют одинаковую скорость. Если учитывать распределение носителей заряда по скоростям, то необходимо ввести числовой множительA,отличный от единицы:
где А– постоянная, зависящая от
механизма рассеяния носителей заряда:А=1,93 … 0,99.
Практически
для большинства металлов можно считать
A≈1.
При рассеянии электронов на тепловых колебаниях решетки:
Откуда получаем:
,(8.1)
Наглядная иллюстрация эффекта Холла в полупроводниках c n-типом и p-типом проводимости приведена на рис. 6 a), б). По сравнению с рисунком 5 здесь пластина повернута на угол к наблюдателю вокруг оси.
Рис. 6. Эффект Холла в полупроводниках с n-проводимостью а) и p-проводимостью б)
Эффект холла и датчики на его основе разного уровня
Эффект холла нашел широкое применение
В позапрошлом столетии был открыт знаменитый эффект холла, который успешно применяется и по сей день. Сущность эффекта состоит в том, что благодаря магнитному полю или импульсу образуется разность потенциалов, что способствует появлению выходного напряжения.
Эффект Холла и его прогресс
Датчики холла или ДХ получили сегодня весьма широкую популяризацию, так как выходное напряжение у них определяется суммой 2-х величин.
Еще в начале 70-х годов прошлого столетия заграницей успешно внедрялись в промышленность бесконтактные клавишные переключатели. Уже тогда были отмечены: высокая надежность, малые габариты и долговечность приборов. Хотя были и недостатки: дороговизна и больший расход потребления энергии.
Схема датчика на эффекте холла
Что собой представляет ДХ? Это прибор с щелевой конструкцией, функционирующий либо по магнитному принципу, либо по импульсному. Первые называются аналоговыми, вторые – цифровыми.
Вообще, об эффекте Холла написано немало. Эффект активно используется в технике, его продолжают совершенствовать путем различных исследований.
Например, в 80-х годах прошлого века одним немецким ученым, получившем после этого Нобелевскую премию, были проведены исследования эффекта Холла при очень низких температурах.
Интересный момент. Величина скачка зависела от комбинации первоначальных физич. констант, никоим образом не завися от особенностей материала. Каноны квантмеханики чудесным образом меняли эффект Холла, и в физике такое явление стало называться квантовым эффектом.
Сила Лоренца и датчик холла
Несколькими годами позже уже квантовый эффект Холла подвергается исследованию. На этот раз в качестве образца применили арсенид галлия больших размеров, изготовленный искусственно.
Образец имел такую степень чистоты, что сквозь него электроны проходили абсолютно беспрепятственно.
Отличие эксперимента от схожего теста немецкого ученого, открывшего квантовый эффект, заключалось в том, что он проводился в холод и в более мощных магнитполях.
И здесь ученые обнаружили сенсационную особенность. Скачок в сопротивлении был в несколько раз больше, чем у немецкого ученого.
В дальнейшем были обнаружены еще более высокие скачки. Что все это значило – комбинация физпостоянных делилась на дробное число, а вовсе не на целое.
Магнит и эффект холла
Разом опровергалась теория физиков, утверждавших, что заряд электрона является константой. А последняя не делится на части, как известно, а лишь только на целое.
| Металл (сплав) | Т, °С | В, Тл | R, mj/k |
|---|---|---|---|
| Алюминий | -190 0 +300 +600 | 0,54 | -0,22 -0,33 -0,39 -0,41 |
| Золото | -190 0 +300 +600 | 0,54 | -0,715 -0,695 -0,721 -0,785 |
| Серебро | -190 0 +300 +600 | 0,54 | -0,925 -0,909 -0,949 -1,002 |
| Медь | -190 0 +300 +600 | 0,54 | -0,56 -0,513 -0,543 -0,587 |
| Железо | +26 | 0,3. ..1,7 | +5,5 |
| Кобальт | + 100 +300 +460 +960 | 0,1…1,6 0,1 …1,6 0,1… 1,6 0,2… 1 | +8,65 +21,2 +89,4 +200 |
| Морганец-сурьмо | +20 +320 | 0…2 0…2 | + 1200 +10500 |
| Хром-теллур | 0 | 0-1,6 | -31500 |
Виды ДХ
Применение ДХ на основе Холла подразумевают выбор магнитсистемы и сенсора, отличающего соответствующими эксплуатационными характеристиками. Два этих самых компонента объединены в систему, удовлетворяющую конкретное применение. Так как характеристики ДХ предопределены, то и применение их не требует каких-либо разработок, а состоит лишь в механическом сопряжении.
Рассмотрим основные виды ДХ, применяемых сегодня подробнее.
Ползунковый ДХ
Ползунковый датчик холла
Аналоговый прибор с цифровым выходом. Магнит с датчиком жестко установлен в едином корпусе, не подверженным воздействию магнита.
Ползунковый ДХ обязательно имеет зазор, сквозь который проходит железная перегородка или экран.
Базовая конструкция ДХ ползункового типа не всегда бывает одинаковой. Возможен и другой способ ее реализации, подразумевающий добавление магнита со стороны ДХ. Такая схема влияет на уменьшение магнитного сопротивления.
Перегородка или экран в ползунковых типах ДХ может иметь несколько «зубцов», расстояния между которыми определяются словом «окно».
Ползунковые ДХ могут иметь отдельные, присущие только им параметры.
ДХ цифровые
Эта разновидность датчиков считается более скоростной. Изготавливаются они с использованием цифры на выходе. Называют их еще токовыми ДХ, ведь они включают в свой состав сенсор и электромагнит. Они соединены в едином фюзеляже.
Схема цифрового датчика холла
Принцип функционирования ДХ базируется на законах электромагнита. Последний успешно создает магнитполе по обе стороны проводника при прохождении импульса. В данном случае плотность магнитного поля одинакова с величиной тока, идущего по проводнику.
Линейные ДХ
Еще одна разновидность ДХ, имеющих аналоговый выход. Такой ДХ содержит ферритовое или стальное кольцо, чип датчика и единый корпус.
Когда сквозь проводник идет импульс, генерируется магнитное поле. Оно же концентрирует магнитный поток в области микросхемы.
Линейные ДХ считаются наиболее эффективными приборами для контроля ДВС.
Линейный датчик холла
Линейный ДХ работает по принципу измерения отношения. Благодаря этому и конструктивному исполнению гарантируется нормальная работа системы зажигания при высоких напряжениях и больших дозах тока.
Замкнутые ДХ
Такие регуляторы еще называются устройствами с замкнутой петлей тока. Такие ДХ усиливают выход, управляющий током. Генерируемое добавочным проводником магнитполе, направляется в противоположную сторону по сравнению со стандартной ситуацией. Такой ретроградный эффект является причиной того, что совокупное магнитполе равняется 0, а вторичное напряжение, проходя резистор, создает напряжение на выходе.
Существуют еще и другие разновидности ДХ, в том числе, имеющие принцип, основанный на механических переключателях. Однако такую широкую популярность, как описанные выше, они не получили.
Благодаря датчикам сегодня радиолюбителями собирается масса различных устройств. Это могут быть игрушки, такие как левитрон или энкодер – контроллер. Последние уже используются, как самостоятельные измерители вращающихся объектов.
Автомобильный датчик холла
Современные энкодеры имеют большую востребованность, нашли применение в металлургии, упаковочно-розливной промышленности, на испытательных стендах и т. д.
Энкодеры бывают абсолютные и инкрементные. Первые способны определять положение предметов в цифре, т.е, более точнее. Они имеют массу преимуществ, используются в высокоточных системах, например, в станках с ЧПУ и т. д.
Вторая разновидность энкодера тоже выдает цифровой код, но только импульсный. Применяется для определения скорости вращения. По сравнению с абсолютным энкодером имеет много недостатков.
Что такое эффект Холла
Если спросить человека, знакомого с физикой на уровне лишь базовых знаний о том, что такое эффект Холла и где он применяется, ответа можно не получить. Удивительно, но в реалиях современного мира такое происходит довольно часто. На самом деле эффект Холла используется во многих электротехнических устройствах. К примеру, некогда популярные компьютерные дисководы для дискет определяли начальное положение двигателя с помощью генераторов Холла. Соответствующие датчики «перекочевали» и в схемы современных приводов для компакт-дисков (как CD, так и DVD). Кроме того, области применения включают в себя не только различные измерительные приборы, но даже генераторы электрической энергии, основанные на преобразовании тепла в поток заряженных частиц под действием магнитного поля (МГД).
Эдвин Герберт Холл в 1879 году, проводя опыты с проводящей пластиной, обнаружил беспричинное, на первый взгляд, явление возникновения потенциала (напряжения), при взаимодействии электрического тока и магнитного поля.
Но обо всем по порядку.
Давайте сделаем небольшой мысленный эксперимент: возьмем металлическую пластину и пропустим по ней электрический ток. Далее поместим ее во внешнем магнитном поле таким образом, чтобы линии напряженности поля были ориентированы перпендикулярно плоскости проводящей пластины. В результате на гранях (поперек направлению тока) возникнет разность потенциалов. Это и есть эффект Холла. Причиной его появления служит известная сила Лоренца.
Существует способ определить значение возникающего напряжения (иногда называемого потенциалом Холла). Общее выражение приобретает вид:
Uh = Eh * H,
где H – толщина пластины; Eh – напряженность внешнего поля.
Так как потенциал возникает благодаря перераспределению носителей зарядов в проводнике, то он ограничен (процесс не продолжается бесконечно). Поперечное перемещение зарядов прекратится в тот момент, когда значение лоренцовой силы (F= q*v*B) уравняется с противодействием q*Eh (q – заряд).
Так как плотность тока J равна произведению концентрации зарядов, их скорости и единичного значения q, то есть
J = n*q*v,
соответственно,
v = J / (q*n).
Отсюда следует (связав формулу с напряженностью):
Eh = B * (J / (q*n)).
Объединим все вышесказанное и определим потенциал холла через значение заряда:
Uh = (J*B*H) / n * q).
Эффект Холла позволяет утверждать, что иногда в металлах наблюдается не электронная, а дырочная проводимость. К примеру, это кадмий, бериллий и цинк. Изучая эффект Холла в полупроводниках, никто не сомневался, что носители заряда – «дырки». Однако, как уже было указано, это применимо и к металлам. Считалось, что при распределении зарядов (формировании потенциала Холла) общий вектор будет образован электронами (отрицательный знак). Однако получалось, что в поле ток создают вовсе не электроны. На практике данной свойство используется для определения плотности носителей заряда в полупроводящем материале.
Не менее известен квантовый эффект Холла (1982 год). Он представляет собой одно из свойств проводимости двумерного электронного газа (частицы могут свободно перемещаться лишь в двух направлениях) в условиях сверхнизких температур и высоких внешних магнитных полей.
При изучении данного эффекта было открыто существование «дробности». Складывалось впечатление, что заряд формируется не единичными носителями (1+1+1), а составными частями (1+1+0.5). Однако оказалось, что никакие законы не нарушаются. В соответствии с Принципом Паули, вокруг каждого электрона в магнитном поле создается своеобразный вихрь из квантов самого потока. С увеличением интенсивности поля возникает ситуация, когда соответствие «один электрон = один вихрь» перестает выполняться. На каждую частицу приходится несколько квантов магнитного потока. Эти новые частицы как раз и являются причиной дробного результата при эффекте Холла.
Телефоны с датчиками Холла. Что такое эффект Холла и как он используется в смартфонах?
Автор Исхаков Максим На чтение 3 мин. Просмотров 59 Опубликовано Обновлено
Многим людям совершенно неизвестен физический феномен под названием Эффект Холла.
Тем не менее, он очень часто используется в смартфонах и планшетах. В чем заключается этот эффект и чем он может быть полезен в телефоне?
Датчик Холла — что это такое?
Эффект Холла — это физическое явление, которое было обнаружено в конце 19 века физиком Эдвином Холлом. Если кратко, оно заключается в возникновении разности потенциалов, когда проводник с постоянным током помещается в магнитное поле. Датчик Холла обнаруживает и использует это явление, благодаря чему экран вашего смартфона автоматически выключается каждый раз, когда вы закрываете чехол, в котором хранится устройство. Чехол должен отвечать одному важному условию — в крышке, которая закрывает экран, должен быть размещен небольшой магнит. Только тогда датчик Холла сможет выполнять свои функции.
Датчик Холла — практическое применение
И как это работает на практике? Очень просто. Когда вы перестаете пользоваться смартфоном и закрываете его магнитной крышкой, датчик Холла обнаруживает магнитное поле, затем передает контроллеру соответствующую информацию — экран гаснет.
Это означает, что вам не нужно каждый раз помнить о том, чтобы отключить дисплей вручную. Датчик сделает это за вас. Экран неиспользуемого телефона останется выключенным до тех пор, пока вы не откроете магнитную крышку. После этого датчик автоматически разбудит дисплей. Так работает, в частности, чехол SmartCover с мобильными устройствами Apple.
Преимущество очевидно — неактивный экран не потребляет энергии, поэтому батарея в телефоне будет дольше работать на одной зарядке.
Телефоны с датчиком Холла
Вот самые интересные мобильные телефоны, оснащенные датчиком Холла:
Samsung Galaxy S10+
Датчик Холла — это одно из многих практических решений, которое было применено в этом телефоне. Он оснащен емким аккумулятором 4100 мач, высококачественным динамиком AKG Dolby Atmos и усовершенствованной камерой, которая может записывать видео в качества 8K. 8 ГБ памяти и мощный 8-ядерный чипсет обеспечивают бесперебойную работу установленных приложений.
Huawei P30 Pro
Еще один телефон, который был оборудован датчиком Холла. Смартфон понравится всем любителям фильмов и сериалов — 6,5″ экран выполнен по технологии OLED, на котором отображаются насыщенные цвета и глубокий контраст.
Xiaomi Mi 10 5G
Xiaomi также входит в число производителей, использующих датчик Холла в своих устройствах. Телефон адаптирован для работы с сетями 5G, которые постепенно заменяют сеть 4G. Кроме того, он оснащен камерой высокого разрешения 108 Мп, большим аккумулятором 4780 мач, 8 Гб памятью и мощным процессором Snapdragon 865.
Холла эффект — Физическая энциклопедия
ХОЛЛА ЭФФЕКТ — возникновение
в твёрдом проводнике с током плотностью j, помещённом в магн.
поле Н, элек-трич. поля в направлении, перпендикулярном j и Н. Напряжённость электрич. поля (п о л я Х о л л а)
Здесь a — угол между векторами Н и j (a<180°).
Если H | j,
то поле Холла ЕН максимально: EH = RHj. Коэф. R, наз. п о с т о я н н о й Х о л л а (к о э ф. Х о л л а), является
основной количеств. характеристикой X. э. Знак R положителен, если j, Н, ЕH образуют правовинтовую систему координат.
X. э. открыт Э. Г. Холлом
(Е. Н. Hall) в 1879 в тонких пластинках Аu. Для наблюдения X. э. прямоуг. пластины
из исследуемых веществ длиной l, значительно большей ширины b и
толщины d, вдоль к-рых течёт ток I=jbd, помещают в магн. поле Н, перпендикулярное плоскости пластинки (рис.). На середине боковых
граней перпендикулярно
току расположены электроды, между к-рыми измеряется эдс Холла
X.
э. объясняется взаимодействием
носителей заряда (электронов проводимости и дырок) с магн. полем. В магн. поле
на электроны действует Лоренца сила F=e[Hu](u = =j/пе-ср. скорость направленного движения носителей в
электрич. поле, п — концентрация носителей, е — их заряд), под
действием к-рой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном j и Н. В результате на боковой грани пластины происходит накопление
зарядов и возникает поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды
и уравновешивает силу Лоренца. При равновесии eEH = eHu, откуда
Знак R совпадает
со знаком носителей заряда. Для металлов, у к-рых n~1022 см-3, R~10-3 см3/Кл, у полупроводников
R~10105 см3/Кл.
Коэф. Холла может быть
выражен через подвижность носителей заряда m = uдр/E (дрейфовая скорость носителей uдр= -eEt/m, где т — эффективная масса ,t — время между двумя последоват. соударениями
с рассеивающими центрами) и уд. электропроводность s=j/E=enuдр/E:
Сказанное справедливо для
изотропных проводников, в частности для поликристаллов .Для анизотропных
кристаллов R = r/en, где коэф. r — величина, близкая к 1, зависящая
от направления Н относительно кристаллографич. осей. В области
сильных магн. полей r=1. Критерий сильного поля wсt>1,
где wс — циклотронная частота носителей.
В полупроводниках в электропроводимости
участвуют одновременно электроны проводимости и дырки. При этом постоянная Холла
выражается через парциальные проводимости электронов sэ и дырок sд и их концентрации пэ и nд.
В случае слабых
полей
Для сильных полей
При пэ =
пд для всех значений магнитного поля R = = (1/еn)(sэ-sд)/(sэ + sд), а знак R соответствует знаку осн. носителей.
Для металлов величина R зависит от зонной структуры, т. е. формы ферми-поверхности. Для замкнутых
поверхностей Ферми и в сильных магн. полях постоянная Холла изотропна, а выражения
для R совпадают с (3) и (4). Для открытых поверхностей Ферми R — тензор.
Однако если направление Н относительно кристаллографич. осей выбрано
так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражения для R также аналогичны (3) и (4).
X. э.- один из наиболее
эфф. методов изучения энерге-тич. спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках.
Зная R, можно определить знак носителей заряда и оценить их концентрацию,
что позволяет сделать заключение о кол-ве примесей в полупроводниках. Линейная
зависимость R от Н используется для измерения напряжённости магн.
поля (см. Магнитометры ),а также для усиления пост. токов, в аналоговых
вычислит. машинах, в измерит. технике и др. (Холла датчик).
При изучении X. э. в двумерном
электронном газе кремниевого полевого транзистора, помещённого в
квантующее магн. поле, К. фон Клитцинг (К. von Klitzing) в 1980 обнаружил, что
холловское сопротивление (RH=VH/I),
к-рое в условиях обычного X. э., как следует из ф-л (2) и (3), обратно пропорционально п, при изменении п то остаётся постоянным, то резко изменяется,
переходя с одного уровня на другой. Вместо монотонного убывания в зависимости RH(n)наблюдались «ступеньки».
При этом высота
ступенек определяется такими фундам. константами, как постоянная Планка и заряд
электрона, и не зависит от свойств вещества. Это явление получило назв. квантового
Холла эффекта. Ю. П. Гайдуков.
При описании X. э. в магнетиках
следует вместо поля Н рассматривать магн. индукцию В=Н+4pМ,
где М— намагниченность .Поле Холла в поликристаллич. ферромагнетиках может быть записано в виде
Здесь x, у, z — координатные оси. Первое слагаемое описывает нормальный X. э. Вклад в
поле Холла, пропорциональный намагниченности М, наз. ферромагнитным,
спонтанным или аномальным X. э. Т. к. этот вклад существует в ферро-, ферри-
и антиферромагн. металлах и полупроводниках, парамагнетиках и др., то термин
«а н о м а л ь н ы й X. э.
» является наиб. общим. Коэф. Rs в ферромагнетиках на 1-2 порядка больше R и обладает сильной (по
сравнению с R)зависимостью от темп-ры. В сплавах величина и знак Rs зависят от концентрации компонент, причём в общем случае знак Rs может не совпадать со знаком R. В монокристаллах Rs также является тензорной величиной. Роль внеш. магн. поля в создании аномального
X. э. сводится только к намагничиванию образца, в частности в однодоменных
образцах аномальный X. э. наблюдается и без поля.
Аномальный X. э. обусловлен спин-орбитальным взаимодействием, к-рое пропорц. намагниченности и создаёт
асимметрию рассеяния. носителей заряда, приводящую к холловскому «закручиванию»
в отсутствие поля.
А. Б. Грановский.
Лит. см. при статьях Гальвано магнитные явления, Квантовый Холла эффект. Магнетизм.
Предметный указатель >>
Принцип, вывод и его применение
Эффект Холлабыл введен американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году. Он основан на измерении электромагнитного поля. Его также называют обычным эффектом Холла. Когда токопроводящий проводник перпендикулярен магнитному полю, генерируемое напряжение измеряется под прямым углом к пути тока. Где текущий поток аналогичен течению жидкости по трубе. Впервые он был применен при классификации химических образцов.Во-вторых, он был применим в датчике эффекта Холла, где он использовался для измерения полей постоянного тока магнита, где датчик остается неподвижным.
Принцип эффекта Холла
Эффект Холла определяется как разница в напряжении, генерируемом на проводнике с током, поперечном электрическому току в проводнике и приложенному магнитному полю, перпендикулярному току.
Эффект Холла = индуцированное электрическое поле / плотность тока * приложенное магнитное поле — (1)
эффект ХоллаТеория эффекта Холла
Электрический ток определяется как поток заряженных частиц в проводящей среде.
Текущие заряды могут быть либо отрицательно заряженными — электроны «e-», либо положительно заряженными — дырками «+».
Пример
Рассмотрим тонкую проводящую пластину длиной L и соединим оба конца пластины с батареей. Где один конец соединен с положительным концом батареи с одним концом пластины, а другой конец соединен с отрицательным концом батареи с другим концом пластины. Теперь мы наблюдаем, что в настоящее время начинает течь от отрицательного заряда к положительному концу пластины.Благодаря этому движению создается магнитное поле.
Теория-эффект Холла
Сила Лоренца
Например, если мы поместим магнитную заглушку рядом с проводником, магнитное поле будет нарушать магнитное поле носителей заряда. Эта сила, искажающая направление носителей заряда, известна как сила Лоренца.
Благодаря этому электроны переместятся к одному концу пластины, а дырки переместятся к другому концу пластины. Здесь напряжение Холла измеряется мультиметром между двумя сторонами пластин.
Этот эффект также известен как эффект Холла. Где ток прямо пропорционален отклоненным электронам, в свою очередь, пропорционален разности потенциалов между обеими пластинами.
Чем больше ток, тем больше отклоненные электроны и, следовательно, мы можем наблюдать большую разность потенциалов между пластинами.
Напряжение Холла прямо пропорционально электрическому току и приложенному магнитному полю.
VH = IB / qnd —– (2)
I — Ток, протекающий в датчике
B — Напряженность магнитного поля
q — Заряд
n — носители заряда на единицу объема
d — Толщина датчика
Вывод коэффициента Холла
Пусть ток IX — это плотность тока, JX, умноженная на площадь коррекции проводника wt.
IX = JX wt = n q vx w t ———- (3)
Согласно закону Ома, если ток увеличивается, поле также увеличивается. Это дается как
JX = σ EX , ———— (4)
Где σ = проводимость материала в проводнике.
Рассматривая приведенный выше пример размещения магнитного стержня под прямым углом к проводнику, мы знаем, что на него действует сила Лоренца. При достижении устойчивого состояния не будет потока заряда в любом направлении, которое можно представить как:
EY = Vx Bz , ————– (5)
EY — электрическое поле / поле Холла в y-направление
Bz — магнитное поле в z-направлении
VH = — ∫0w EY day = — Ey w ———- (6)
VH = — ((1 / nq) IX Bz) / t , ———– (7)
Где RH = 1 / nq ———— (8)
Единицы эффекта Холла: m3 / C
Подвижность Холла
µ p или µ n = σ n RH ———— (9)
Холловская подвижность определяется как µ p или µ n — проводимость, обусловленная электронами и дырками.
Плотность магнитного потока
Она определяется как величина магнитного потока в области, взятой под прямым углом к направлению магнитного потока.
B = VH d / RH I ——– (1 0)
Эффект Холла в металлах и полупроводниках
В зависимости от электрического поля и магнитного поля носители заряда, которые движутся в среде, испытывают некоторое сопротивление из-за рассеяние между носителями и примесями, а также носителями и атомами материала, которые испытывают колебания.
Следовательно, каждый носитель рассеивается и теряет свою энергию. Что может быть представлено следующим уравнением
F retarded = — mv / t , ————– (1 1)
t = среднее время между рассеянием события
Согласно закону секунд Ньютона,
M (dv / dt) = (q (E + v * B) — mv) / t —— (1 2)
m = масса носителя
Когда наступает установившееся состояние, параметром ‘v’ пренебрегают
Если ‘B’ находится вдоль координаты z, мы можем получить набор уравнений ‘v’
vx = (qT Ex) / m + (qt BZ vy ) / м ———– (1 3)
vy = (qT Ey) / м — (qt BZ vx) / м ———— (1 4)
vz = qT Ez / m ———- (1 5)
Мы знаем, что Jx = nq vx ————— (1 6)
Подставляя в приведенные выше уравнения, мы можем изменить его как
Jx = (σ / (1 + (wc t) 2)) (Ex + wc t Ey) ———– (1 7)
Дж y = (σ * (Ey — wc t Ex) / (1 + (wc t) 2 ) ———- (1 8)
Jz = σ Ez ———— (1 9)
Мы знаем, что
σ n q2 т / м ———– (2 0)
σ = проводимость
t = время релаксации
и
wc q Bz / м ————– (2 1)
wc = циклотронная частота
Циклотронная частота определяется как частота вращения заряда в магнитном поле.
Какая сила поля.
Что можно объяснить в следующих случаях, чтобы узнать, является ли он слабым и / или «t» коротким
Случай (i): Если wc t << 1
Указывает на ограничение слабого поля
Случай ( ii): Если wc t >> 1
Указывает на ограничение сильного поля.
Преимущества
К преимуществам эффекта Холла можно отнести следующее.
- Скорость работы высокая, например, 100 кГц
- Цикл операций
- Емкость для измерения большого тока
- Может измерять нулевую скорость.
Недостатки
К недостаткам эффекта Холла можно отнести следующее.
- Невозможно измерить поток тока более 10 см.
- Температура сильно влияет на носители, которая прямо пропорциональна
- Даже в отсутствие магнитного поля небольшое напряжение наблюдается, когда электроды находятся в центре.
Применения эффекта Холла
Применения эффекта Холла включают следующее.
- Датчик магнитного поля
- Используется для умножения
- Для измерения постоянного тока используется тестер Холла.
Таким образом, эффект Холла основан на электромагнитном принципе. Здесь мы видели получение коэффициента Холла, а также эффекта Холла в металлах и полупроводниках.Возникает вопрос: как применить эффект Холла при работе на нулевой скорости?
Квантовый спиновый эффект Холла — фундаментальное свойство света
Кредит: Петр Краточвиль / общественное достояниеВ статье, в которой кристаллизуются знания, полученные в результате различных экспериментов и теоретических разработок, ученые из Центра науки о новых веществах RIKEN в Японии продемонстрировали, что квантовый спиновый эффект Холла — эффект, который, как известно, имеет место в физике твердого тела, — также является внутреннее свойство света.
Фотоны не имеют ни массы, ни заряда, и поэтому ведут себя совсем не так, как их массивные аналоги, но у них есть общее свойство, называемое вращением, которое приводит к замечательным геометрическим и топологическим явлениям.
Вращение — мера собственного углового момента — можно рассматривать как эквивалент вращения волчка. В исследовании, опубликованном в Science , команда обнаружила, что фотоны разделяют с электронами свойство, связанное со спином, — квантовый спиновый эффект Холла.
«Ранее мы занимались изучением исчезающих электромагнитных волн, — говорит Константин Блиох, руководивший исследованием, — и мы поняли, что обнаруженные нами замечательные свойства, необычный поперечный спин — это проявление того факта, что свет в свободном пространстве проявляет внутренний квантовый спиновый эффект Холла, означающий, что затухающие волны с противоположными спинами будут распространяться в противоположных направлениях вдоль границы раздела двух сред ».
Эванесцентные волны распространяются вдоль поверхности материалов, таких как металлы, на границе с вакуумом, так же, как океанские волны возникают на границе раздела между воздухом и водой, и они экспоненциально затухают по мере удаления от границы раздела.
.
Квантовый спиновый эффект Холла для электронов допускает существование необычного типа материала, называемого топологическим изолятором, который проводит электричество по поверхности, но не через объем материала. Команда была заинтригована, узнав, что аналогию можно найти для фотонов. Хотя свет не распространяется через металлы, известно, что он может распространяться по границам раздела между металлом и вакуумом в форме так называемых поверхностных плазмонов, включающих затухающие световые волны.Группа смогла показать, что необычный поперечный спин, который они обнаружили в затухающих волнах, на самом деле был вызван внутренним квантовым эффектом Холла фотонов, и их результаты также объясняют недавние эксперименты, которые показали управляемое спином однонаправленное распространение поверхностных оптических мод.
Блиох продолжает: «На чисто научном уровне это исследование углубляет наше понимание классической теории световых волн, разработанной Джеймсом Кларком Максвеллом 150 лет назад, и оно также может привести к приложениям с использованием оптических устройств, основанных на направлении вращения.
.«
Франко Нори, организовавший проект, говорит: «Эта работа стала возможной благодаря междисциплинарной природе RIKEN, поскольку мы смогли объединить открытия, сделанные в нескольких различных областях, чтобы показать, что поперечное вращение, привязанное к направлению распространения волн, кажется универсальной чертой поверхностных волн, даже если они имеют различную природу ».
Исключительные импульс и вращение обнаружены в исчезающих световых волнах
Дополнительная информация: «Квантовый спиновый эффект Холла света» www.sciencemag.org/lookup/doi/… 1126 / science.aaa9519
Ссылка :
Квантовый спиновый эффект Холла — фундаментальное свойство света (25 июня 2015 г.
)
получено 19 января 2021 г.
с https: // физ.org / news / 2015-06-Quantum-Hall-Effect-basic-property.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Системы на эффекте Холла
FastHall возможности измерения, содержащиеся в полной платформе для определения характеристик
Измерительный контроллер MeasureReady ™ M91 FastHall ™ — это революционный универсальный прибор для анализа Холла, который обеспечивает значительно более высокий уровень точности, скорости и удобства для исследователи, занимающиеся изучением электронных материалов.
И теперь эта новая возможность доступна как часть FastHall Station, интегрированной высокоточной настольной измерительной системы для упрощенных измерений Холла и меньшего количества экспериментальных установок.
FastHall Station включает в себя ПК с Windows® 10, постоянный магнит на 1 Тл, высокоточный держатель образца, а также все необходимое программное обеспечение и кабели для обеспечения широкого диапазона возможностей измерения, включая сопротивление образцов до 1 ГОм и измерения подвижности до 0,01 см 2 / В с — что делает его отличным выбором для лабораторий, изучающих материалы с низкой подвижностью.
