Geheimnisse gekreuzter Strömungen - Hall-Effekt

Ende des letzten Jahrhunderts machte ein junger amerikanischer Physikstudent, Edwin Hall, eine Entdeckung, die seinen Namen in Physiklehrbücher schrieb. Er führte ein einfaches „studentisches“ Experiment durch - er untersuchte die Ausbreitung von Strom in einer dünnen Metallplatte zwischen den Polen eines starken Elektromagneten. Studierende aller Universitäten absolvieren eine Laborpraxis, in der ihnen anhand einfacher Beispiele die Fähigkeiten des Experiments vermittelt werden. So war es diesmal. Ein bescheidener Student hätte sich nicht vorstellen können, dass seine einfache Erfahrung zu einer Lawine von Forschungen führen würde, von denen einige mit dem ehrenwertesten wissenschaftlichen Preis - dem Nobelpreis - gekennzeichnet sein werden.

Das Gerät, mit dem Hall arbeitete, bestand aus zwei kreuzweise angeordneten Stromkreisen - so binden sie Schachteln mit Süßigkeiten mit einem Band zusammen. Die Ketten unterschieden sich darin, dass eine von ihnen eine elektrische Batterie enthielt und der Strom von ihr entlang der Platte floss, die andere quer, keine Stromquellen hatte und einfach die Kanten der Platte verband.

Wie erwartet zeichneten die Instrumente im Fall des Ausschaltens des Elektromagneten den Stromfluss nur entlang der Platte - im Stromkreis mit der Batterie - und dessen Fehlen im „leeren“ Querstromkreis auf. Kein Wunder. Sobald jedoch der Elektromagnet eingeschaltet wurde, erschien im Querstrom ein elektrischer Strom an sich wie aus dem Nichts. Es war interessant, aber hier gab es kein Wunder - eine Erklärung wurde ziemlich schnell gefunden. Elektronen, die sich in einer Längskette bewegen, werden von der aus dem Schulbuch bekannten Lorentz-Kraft beeinflusst, die Elektronen in Querrichtung ablenkt und einen kleinen Strom in der Querkette erzeugt - alles ist elementar einfach.

Seit mehr als einem halben Jahrhundert, halb vergessen, ist dieses Phänomen im Hintergrund der Physik geblieben. Von Spezialisten für Mikroelektronik in den Archiven ausgegraben. Zunächst stellte sich heraus, dass, wenn die groben Messinstrumente der Hall-Zeit durch moderne ersetzt würden, das von ihm entdeckte Phänomen verwendet werden könnte, um die Anzahl geladener Teilchen zu zählen, deren Bewegung einen elektrischen Strom erzeugt, was für Entwickler von rauscharmen Transistoren und anderen hochempfindlichen mikroelektronischen Geräten, die mit sehr schwachen arbeiten, sehr wichtig ist Ströme und Magnetfelder.

Der Hall-Effekt wurde sorgfältig untersucht, ohne die Genauigkeit zu verbessern. Die dritte, vierte, fünfte Dezimalstelle auf der Skala von Messgeräten ... Und hier tauchten auf den ersten Blick erstaunliche, einfach unglaubliche Phänomene auf.

Das erste erstaunliche Ergebnis wurde vor zwanzig Jahren, Ende der siebziger Jahre, in Experimenten mit Halbleiterschaltungen in einem starken Magnetfeld bei sehr niedrigen Temperaturen erzielt, nur wenige Grad vom "absoluten Nullpunkt" entfernt - 273 Grad Celsius, wenn die Substanz so stark gefriert, dass aufhören, alle molekularen Bewegungen frieren ein. Wenn also bei normalen Temperaturen nahe der Raumtemperatur der elektrische Widerstand im Stromkreis mit dem „Hall-Strom“ mit zunehmendem Magnetfeld allmählich zunimmt, ändert er sich aus irgendeinem Grund nahe der Temperatur Null schrittweise - als ob sich ein glatter Pfad, auf dem sich Stromteilchen bewegen, plötzlich durch ein mit tiefen Unebenheiten gepflastertes Pflaster ersetzt. Die glatten Kurven, die die Rekorder ausgeschrieben haben, werden zeitweise durch eine „Leiter“ ersetzt, deren Höhe gleich einer Konstanten war, die durch ganze Zahlen n = 1, 2, 3 usw. geteilt wurde.

Und was noch überraschender ist - in jeder Stufe fällt der Widerstand im Längsstromkreis auf Null ab, dh für den Längsstrom wird die Substanz zum Supraleiter - die Elektronen rollen ohne Widerstand, aber an den Gelenken springt der Widerstand beim Übergang von einer Stufe zur anderen stark und die Supraleitung verschwindet sofort.All dies sah nach einer Art Verwirrung aus - wie man so sagt, war im Oblonsky-Haus alles durcheinander!

Wie kann man ein so seltsames Verhalten gekreuzter Ströme erklären? Warum verhalten sie sich ganz anders? Die Elektrodynamik erwies sich vor diesem Rätsel als machtlos ... Wir sind daran gewöhnt, dass mysteriöse Phänomene in komplexen Experimenten mit Elementarteilchen oder tief im Weltraum auftreten, wenn es um Schwarze Löcher, explodierende Galaxien und andere Objekte geht, die unsere Vorstellungskraft in Erstaunen versetzen, und hier sind nur Experimente mit Widerstand und Strömen. Entlang und quer durch den gepflegten Bereich und - auf Sie!

V. Barashenkov, E. Kapustsik