Hall effect και αισθητήρες που βασίζονται σε αυτό

Το φαινόμενο Hall ανακάλυψε το 1879 από τον Αμερικανό επιστήμονα Edwin Herbert Hall. Η ουσία του έχει ως εξής (βλέπε σχήμα). Εάν ένα ρεύμα διέρχεται μέσω μιας αγώγιμης πλάκας και ένα μαγνητικό πεδίο κατευθύνεται κάθετα προς την πλάκα, τότε η τάση εμφανίζεται κατά την κατεύθυνση εγκάρσια προς το ρεύμα (και την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου): όπου Rh είναι ο συντελεστής Hall που εξαρτάται από το υλικό του αγωγού. H είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου. Εγώ είμαι το ρεύμα στον αγωγό. w είναι η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης του ρεύματος και του φορέα επαγωγής μαγνητικού πεδίου (εάν w = 90 °, sinw = 1). d είναι το πάχος του υλικού.

Λόγω του γεγονότος ότι το αποτέλεσμα εξόδου προσδιορίζεται από το προϊόν δύο ποσοτήτων (Η και Ι), οι αισθητήρες Hall χρησιμοποιούνται ευρέως. Ο πίνακας δείχνει τους συντελεστές Hall για διάφορα μέταλλα και κράματα. Ονομασίες: Т - θερμοκρασία; Β είναι η μαγνητική ροή. Rh - συντελεστής Hall σε μονάδες m3 / C

Οι διακόπτες εγγύτητας Hall Effect με βάση το Hall effect έχουν χρησιμοποιηθεί στο εξωτερικό αρκετά ευρέως από τις αρχές της δεκαετίας του '70. Τα πλεονεκτήματα αυτού του διακόπτη είναι η υψηλή αξιοπιστία και ανθεκτικότητα, οι μικρές διαστάσεις και τα μειονεκτήματα είναι η συνεχής κατανάλωση ενέργειας και το σχετικά υψηλό κόστος.

Η αρχή της λειτουργίας της γεννήτριας Hallαλλά

Ο αισθητήρας Hall έχει ένα σχέδιο με σχισμές. Ένας ημιαγωγός βρίσκεται στη μία πλευρά της σχισμής, μέσω του οποίου ρέει ρεύμα όταν ανάβει η ανάφλεξη και από την άλλη πλευρά, ένας μόνιμος μαγνήτης.

Σε ένα μαγνητικό πεδίο, τα κινούμενα ηλεκτρόνια επηρεάζονται από μια δύναμη. Ο φορέας δύναμης είναι κάθετος προς την κατεύθυνση τόσο των μαγνητικών όσο και των ηλεκτρικών συνιστωσών του πεδίου.

Εάν ένα πεπλατυσμένο ημιαγωγό (για παράδειγμα, από το αρσενικό του ινδίου ή το αντιμονονίδιο του ινδίου) εισάγεται σε ένα μαγνητικό πεδίο μέσω επαγωγής σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα, τότε στις πλευρές δημιουργείται διαφορά δυναμικού κάθετα προς την κατεύθυνση του ρεύματος. Η τάση του Hall (Hall EMF) είναι ανάλογη της τρέχουσας και της μαγνητικής επαγωγής.

Υπάρχει ένα κενό μεταξύ της πλάκας και του μαγνήτη. Στο κενό του αισθητήρα υπάρχει μια χαλύβδινη οθόνη. Όταν δεν υπάρχει οθόνη στο κενό, ένα μαγνητικό πεδίο επενεργεί στην πλάκα ημιαγωγού και η διαφορά δυναμικού αφαιρείται από αυτό. Εάν υπάρχει ένα διάκενο στο διάκενο, τότε οι μαγνητικές γραμμές δύναμης που κλείνουν μέσω της οθόνης και δεν δρουν στην πλάκα, στην περίπτωση αυτή, η διαφορά δυναμικού δεν εμφανίζεται στην πλάκα.

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα μετατρέπει τη διαφορά δυναμικού που δημιουργείται στην πλάκα σε παλμούς αρνητικής τάσης ορισμένης τιμής στην έξοδο του αισθητήρα. Όταν η οθόνη βρίσκεται στο κενό του αισθητήρα, θα υπάρχει τάση στην έξοδο της, αν δεν υπάρχει οθόνη στο διάκενο του αισθητήρα, τότε η τάση στην έξοδο του αισθητήρα είναι κοντά στο μηδέν.

Κλασματικό αποτέλεσμα κβαντικού Hall

Πολλά έχουν γραφτεί για το φαινόμενο Hall, το αποτέλεσμα αυτό χρησιμοποιείται έντονα στην τεχνολογία, αλλά οι επιστήμονες συνεχίζουν να το μελετούν. Το 1980, ο γερμανός φυσικός Klaus von Klitzung μελέτησε τη λειτουργία του αποτελέσματος Hall σε υπεριώδεις θερμοκρασίες. Σε μια λεπτή πλάκα ημιαγωγού, ο von Klitzung μετέβαλε σταδιακά την ισχύ του μαγνητικού πεδίου και διαπίστωσε ότι η αντίσταση Hall δεν αλλάζει ομαλά, αλλά σε άλματα. Το μέγεθος του άλματος δεν εξαρτιόταν από τις ιδιότητες του υλικού, αλλά ήταν ένας συνδυασμός θεμελιωδών φυσικών σταθερών διαιρούμενος με ένα σταθερό αριθμό. Αποδείχθηκε ότι οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής άλλαξαν κάπως τη φύση του Hall effect. Αυτό το φαινόμενο έχει ονομαστεί το ολοκληρωμένο κβαντικό φαινόμενο Hall. Για την ανακάλυψη αυτή, ο von Klitzung έλαβε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1985.

Δύο χρόνια μετά την ανακάλυψη του von Klitzung στο εργαστήριο Bell Telephone (εκείνο στο οποίο άνοιξε το τρανζίστορ), οι εργαζόμενοι του Stormer και του Tsui μελετούσαν το φαινόμενο του κβαντικού Hall χρησιμοποιώντας ένα εξαιρετικά καθαρό δείγμα αρσενικού γαλλίου μεγάλου μεγέθους που κατασκευάστηκε στο ίδιο εργαστήριο.Το δείγμα είχε τόσο υψηλό βαθμό καθαρότητας ώστε τα ηλεκτρόνια να τα πέρασαν από άκρο σε άκρο χωρίς να συναντήσουν εμπόδια. Το πείραμα Stormer και Tsui πραγματοποιήθηκε σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία (σχεδόν απόλυτο μηδέν) και με πιο ισχυρά μαγνητικά πεδία από ό, τι στο πείραμα von Klitzung (ένα εκατομμύριο φορές περισσότερο από Το μαγνητικό πεδίο της Γης).

Προς μεγάλη έκπληξή τους, οι Stormer και Tsui βρήκαν ένα άλμα στην αντίσταση Hall τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό του von Klitzung. Τότε ανακάλυψαν ακόμα μεγαλύτερα άλματα. Το αποτέλεσμα ήταν ο ίδιος συνδυασμός φυσικών σταθερών, αλλά δεν χωρίστηκε από έναν ακέραιο, αλλά από έναν κλασματικό αριθμό. Οι φυσικοί φορτίζουν ένα ηλεκτρόνιο ως μια σταθερά που δεν μπορεί να χωριστεί σε μέρη. Και σε αυτό το πείραμα, συμμετείχαν σωματίδια με κλασματικά φορτία. Η επίδραση ονομάστηκε φαινόμενο κλασικού Hall.

Ένα χρόνο μετά την ανακάλυψη αυτή, ένας υπάλληλος του εργαστηρίου La Flin έδωσε μια θεωρητική εξήγηση για το αποτέλεσμα. Δηλώνει ότι ο συνδυασμός υπερβολικά χαμηλής θερμοκρασίας και ισχυρού μαγνητικού πεδίου προκαλεί τα ηλεκτρόνια να σχηματίσουν ένα ασυμπίεστο κβαντικό υγρό. Αλλά η εικόνα που χρησιμοποιεί τα γραφικά του υπολογιστή δείχνει τη ροή των ηλεκτρονίων (μπάλες) που διαπερνούν το αεροπλάνο. Οι τραχύτητες στο επίπεδο αντιπροσωπεύουν την κατανομή φορτίου ενός από τα ηλεκτρόνια παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου και το φορτίο άλλων ηλεκτρονίων. Εάν ένα ηλεκτρόνιο προστεθεί σε ένα κβαντικό υγρό, τότε σχηματίζεται μια ορισμένη ποσότητα quasiparticles με ένα κλασματικό φορτίο (στο σχήμα αυτό δείχνεται ως ένα σύνολο βέλη για κάθε ηλεκτρόνιο).
Το 1998, ο Horst Stormer, ο Daniel Tsui και ο Robert Laughlin έλαβαν το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική. Επί του παρόντος, ο H. Stormer είναι καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια, ο D. Tsui είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Princeton και ο R. Laughlin είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.