Hallův efekt a senzory na něm založené

Hallův efekt objevil v roce 1879 americký vědec Edwin Herbert Hall. Jeho podstata je následující (viz obrázek). Pokud proud prochází vodivou deskou a magnetické pole je nasměrováno kolmo k desce, objeví se napětí ve směru příčném na proud (a směr magnetického pole): Uh = (RhHlsinw) / d, kde Rh je Hallův koeficient v závislosti na materiálu vodiče; H je síla magnetického pole; I je proud ve vodiči; w je úhel mezi směrem proudu a vektorem indukujícím magnetické pole (pokud w = 90 °, sinw = 1); d je tloušťka materiálu.

Vzhledem k tomu, že výstupní efekt je dán součinem dvou veličin (H a I), jsou Hallovy senzory velmi rozšířeny. V tabulce jsou uvedeny Hallovy koeficienty pro různé kovy a slitiny. Označení: Т - teplota; B je magnetický tok; Rh - Hallův koeficient v jednotkách m3 / C.

Síťové bezdotykové spínače založené na Hallově efektu se od začátku 70. let používají v zahraničí velmi široce. Výhodou tohoto spínače je vysoká spolehlivost a trvanlivost, malé rozměry a nevýhodou je stálá spotřeba energie a relativně vysoké náklady.

Princip činnosti Hallova generátoruale

Hallův senzor má štěrbinový design. Polovodič je umístěn na jedné straně štěrbiny, skrz kterou proud protéká při zapnutí zapalování a na druhé straně permanentní magnet.

V magnetickém poli jsou pohybující se elektrony ovlivněny silou. Silový vektor je kolmý na směr magnetických i elektrických komponent pole.

Pokud je polovodičová destička (například z india arsenidu nebo india antimonidu) zavedena do magnetického pole indukcí do elektrického proudu, pak na stranách vznikne potenciální rozdíl, kolmý na směr proudu. Hall napětí (Hall EMF) je úměrné proudové a magnetické indukci.

Mezi deskou a magnetem je mezera. V mezeře senzoru je ocelová clona. Pokud v mezeře není žádná obrazovka, působí na polovodičovou desku magnetické pole a z ní se odstraňuje potenciální rozdíl. Pokud je síto v mezeře, pak magnetické linie síly se uzavírají skrz síto a nepůsobí na desku, v tomto případě na desce nedochází k potenciálnímu rozdílu.

Integrovaný obvod převádí potenciální rozdíl vytvořený na desce na záporné napěťové impulzy určité hodnoty na výstupu ze senzoru. Když je obrazovka v mezeře senzoru, bude na jeho výstupu napětí, pokud v mezeře senzoru není žádná obrazovka, pak je napětí na výstupu senzoru téměř nulové.

Frakční kvantový Hallův efekt

O Hallově efektu bylo napsáno mnoho, tento efekt se v technologii značně používá, ale vědci jej dále studují. V roce 1980 německý fyzik Klaus von Klitzung studoval fungování Hallova efektu při ultratenkých teplotách. Na tenké polovodičové desce von Klitzung plynule změnil sílu magnetického pole a zjistil, že Hallův odpor se nemění hladce, ale ve skokech. Velikost skoku nezávisí na vlastnostech materiálu, ale byla kombinací základních fyzikálních konstant děleno konstantním číslem. Ukázalo se, že zákony kvantové mechaniky nějak změnily povahu Hallova efektu. Tento jev byl nazýván integrálním kvantovým Hallovým efektem. Za tento objev získal von Klitzung Nobelovu cenu za fyziku v roce 1985.

Dva roky po objevení von Klitzunga v laboratoři Bell Telefon (ta, ve které byl tranzistor otevřen) studovali zaměstnanci Stormer a Tsui kvantový Hallův efekt pomocí výjimečně čistého vzorku velkého arzenidu gallia vyrobeného ve stejné laboratoři.Vzorek měl tak vysoký stupeň čistoty, že jej elektrony prošly od začátku do konce, aniž by narazily na překážky. Pokus Stormer a Tsui probíhal při mnohem nižší teplotě (téměř absolutní nula) as výkonnějšími magnetickými poli než v experimentu von Klitzung (milionkrát více než Zemské magnetické pole).

K jejich velkému překvapení našli Stormer a Tsui skok v Hallově síle třikrát větší než u von Klitzung. Pak objevili ještě větší skoky. Výsledkem byla stejná kombinace fyzikálních konstant, ale dělená ne celým číslem, ale zlomkovým číslem. Fyzici účtují elektron jako konstantu, kterou nelze rozdělit na části. A v tomto experimentu, jak to bylo, se podílely částice s částečnými náboji. Tento efekt se nazýval zlomkový kvantový Hallův efekt.

Rok po tomto objevu dal pracovník laboratoře La Flin teoretické vysvětlení účinku. Uvedl, že kombinace ultra nízké teploty a silného magnetického pole způsobí, že elektrony vytvoří nestlačitelnou kvantovou tekutinu. Obrázek pomocí počítačové grafiky však ukazuje tok elektronů (kuliček) pronikajících do letadla. Hrubost v rovině představuje distribuci náboje jednoho z elektronů v přítomnosti magnetického pole a náboje ostatních elektronů. Pokud je elektron přidán do kvantové kapaliny, vytvoří se určité množství kvazičástic s frakčním nábojem (na obrázku je to znázorněno jako sada šipek pro každý elektron).
V roce 1998 získali Horst Stormer, Daniel Tsui a Robert Laughlin Nobelovu cenu za fyziku. V současné době je H. Stormer profesorem fyziky na Columbia University, D. Tsui je profesorem na Princetonské univerzitě a R. Laughlin je profesorem na Stanfordské univerzitě.