Mysteries of Crossed Currents - Hall Effect

I slutet av förra seklet gjorde en ung amerikansk fysikstudent Edwin Hall en upptäckt som skrev hans namn i fysikböcker. Han genomförde ett enkelt "student" -experiment - han studerade utbredningen av ström i en tunn metallplatta placerad mellan polerna i en stark elektromagnet. Studenter vid alla universitet genomgår laboratoriepraxis, där de lär sig med enkla exempel experimentets färdighet. Så det var den här gången. En ödmjuk student kunde inte ha föreställt sig att hans enkla erfarenhet skulle ge upphov till ett lavin av forskning, av vilka några kommer att präglas av den mest hederliga vetenskapliga utmärkelsen - Nobelpriset.

Enheten som Hall arbetade med bestod av två tvärriktade elektriska kretsar - det är så att de binder lådor med godis med ett band. Kedjorna skilde sig åt varvid den ena innehöll ett elektriskt batteri och strömmen från den passerade längs plattan, den andra tvärgående, hade inga strömkällor och anslöt helt enkelt kanterna på plattan.

Som förväntat, i det fall då elektromagneten stängdes av, registrerade instrumenten strömmen endast längs plattan - i kretsen med batteriet - och dess frånvaro i den "tomma" tvärgående kretsen. Inte konstigt. Så snart elektromagneten slog på, i tvärgående kretsen, som om ingenting, dyker upp en elektrisk ström på egen hand. Det var intressant, men det var inget mirakel här - en förklaring hittades ganska snabbt. Elektroner som rör sig i en längsgående kedja påverkas av Lorentz-kraften, väl känd från skolboken, som avleder elektroner i tvärriktningen, vilket genererade en liten ström i den tvärgående kedjan - allt är elementärt enkelt.

I mer än ett halvt sekel, halvt glömt, har detta fenomen förblivit bakom fysisk vetenskap. Dra det i arkiven av specialister inom mikroelektronik. Först visade det sig att om de grova mätanordningarna under Hall-tiden ersattes med moderna, så kunde fenomenet som upptäcktes av honom användas för att räkna antalet laddade partiklar vars rörelse genererar en elektrisk ström, vilket är mycket viktigt för konstruktörer av lågbrustransistorer och andra mycket känsliga mikroelektroniska enheter som arbetar med mycket svaga strömmar och magnetfält.

Hall-effekten studerades noggrant, och sparar inga ansträngningar för att förbättra noggrannheten. Den tredje, fjärde, femte decimalen på måttinstrumentens skalor ... Och här började fantastiska, vid första anblicken, helt enkelt otroliga fenomen.

Det första fantastiska resultatet erhölls för tjugo år sedan, i slutet av sjuttiotalet, i experiment med halvledarkretsar i ett starkt magnetfält vid mycket låga temperaturer, bara några grader från "absolut noll" - 273 grader Celsius, när ämnet fryser så mycket att upphör, alla molekylära rörelser fryser. Så, vid vanliga temperaturer nära rumstemperatur, ökar det elektriska motståndet i kretsen med "Hallströmmen" gradvis med ökande magnetfält, då av någon anledning nära temperaturen noll ändras det stegvis - som om en slät bana längs vilka strömpartiklar rör sig, plötsligt vänder sig till en stenlagd med djupa knölar. De släta kurvorna som inspelarna skrev ut ersätts intermittent med en “stege”, vars höjd på stegen var lika med någon konstant dividerat med heltal n = 1, 2, 3 och så vidare.

Och vad som är ännu mer förvånande - i varje steg motståndet i den längsgående strömkretsen sjunker till noll, det vill säga, för den längsgående strömmen blir ämnet en supraledare - elektronerna rullar utan motstånd, men vid lederna, när de rör sig från ett steg till ett annat, hoppar motståndet kraftigt och supraledningsförmågan försvinner omedelbart.Allt detta såg ut som en slags förvirring - som de säger var allt blandat i Oblonsky-huset!

Hur förklarar ett så konstigt beteende med korsade strömmar? Varför uppför sig de på helt olika sätt? Elektrodynamik visade sig vara maktlös framför denna gåta ... Vi är vana vid att mystiska fenomen inträffar i komplexa experiment med elementära partiklar eller djupt i rymden när det gäller svarta hål, exploderande galaxer och andra föremål som förvåna vår fantasi, och här är bara experiment med motstånd och strömmar. Längs och över det preparerade området och - på dig!

V. Barashenkov, E. Kapustsik