Ефект на Хол и сензори, базирани на него

Ефектът на Хол е открит през 1879 г. от американския учен Едвин Хърбърт Хол. Същността му е следната (виж фигурата). Ако ток се прокара през проводима плоча и магнитно поле се насочи перпендикулярно на плочата, тогава напрежението се появява в посока, напречна на тока (и посоката на магнитното поле): Uh = (RhHlsinw) / d, където Rh е коефициентът на Хол, който зависи от материала на проводника; Н е силата на магнитното поле; I е токът в проводника; w е ъгълът между посоката на тока и вектора на индукция на магнитното поле (ако w = 90 °, sinw = 1); d е дебелината на материала.

Поради факта, че изходният ефект се определя от произведението на две количества (H и I), сензорите на Хол се използват много широко. Таблицата показва коефициентите на Хол за различни метали и сплави. Обозначения: Т - температура; В е магнитният поток; Rз - коефициент на Хол в единици м3 / С.

Комутатори за близост с ефект на Хол, базирани на ефекта на Хол, се използват в чужбина доста широко от началото на 70-те години. Предимствата на този превключвател са висока надеждност и издръжливост, малки размери, а недостатъците са постоянната консумация на енергия и сравнително високата цена.

Принципът на работа на генератора на Холи

Сензорът на Хол има прорезан дизайн. От едната страна на слота е разположен полупроводник, през който протича ток при включване на запалването, а от друга страна - постоянен магнит.

В магнитно поле движещите се електрони се влияят от сила. Векторът на силата е перпендикулярен на посоката както на магнитния, така и на електрическия компонент на полето.

Ако полупроводникова вафла (например от индиев арсенид или индиев антимонид) се въведе в магнитно поле чрез индукция в електрически ток, тогава възниква потенциална разлика по страните, перпендикулярна на посоката на тока. Напрежението в Хол (ЕЛП на Хол) е пропорционално на тока и магнитната индукция.

Между плочата и магнита има празнина. В пролуката на сензора е стоманен екран. Когато в пролуката няма екран, магнитното поле действа върху полупроводниковата плоча и потенциалната разлика се отстранява от нея. Ако в пролуката има екран, тогава магнитните силови линии се затварят през екрана и не действат върху плочата, в този случай разликата в потенциала не се появява на плочата.

Интегралната схема преобразува потенциалната разлика, създадена на плочата, в отрицателни импулси на напрежение с определена стойност на изхода на сензора. Когато екранът е в пролуката на сензора, на неговия изход ще има напрежение; ако в пролуката на сензора няма екран, тогава напрежението на изхода на сензора е близо до нула.

Фракционен квантов ефект на Хол

Много е писано за ефекта на Хол, този ефект се използва широко в технологиите, но учените продължават да го изучават. През 1980 г. немският физик Клаус фон Клицунг изучава действието на ефекта на Хол при свръх ниски температури. В тънка полупроводникова плоча фон Клицунг постепенно променя силата на магнитното поле и установява, че съпротивлението на Хол не се променя плавно, а при скокове. Големината на скока не зависи от свойствата на материала, а представлява комбинация от основни физични константи, разделени на постоянно число. Оказа се, че законите на квантовата механика промениха по някакъв начин естеството на ефекта на Хол. Това явление се нарича интегрален квантов ефект на Хол. За това откритие фон Клицунг получи Нобеловата награда по физика през 1985 г.

Две години след откриването на фон Klitzung в лабораторията на Bell Telephone (тази, в която е отворен транзисторът), служителите на Stormer и Tsui изследват ефекта на квантовия Хол, използвайки изключително чиста проба от голям арсенид на галий, направен в същата лаборатория.Пробата имаше толкова висока степен на чистота, че електроните я предаваха от край до край, без да срещат препятствия. Експериментът Стормер и Цуи се проведе при много по-ниска температура (почти абсолютна нула) и с по-мощни магнитни полета, отколкото при експеримента с фон Клицунг (милион пъти повече от Магнитно поле на Земята).

За тяхна голяма изненада Стормър и Цуи откриха скок в съпротивата на Хол три пъти по-голям от този на фон Клицунг. Тогава те откриха още по-големи скокове. Резултатът беше същата комбинация от физични константи, но разделена не на цяло число, а на дробно число. Физиците зареждат един електрон като константа, която не може да бъде разделена на части. И в този експеримент участваха частици с фракционни заряди. Ефектът беше наречен фракционен квантов ефект на Хол.

Година след това откритие служител на лабораторията Ла Флин даде теоретично обяснение на ефекта. Той заяви, че комбинацията от ултра ниска температура и мощно магнитно поле кара електроните да образуват некомпресивна квантова течност. Но фигурата, използваща компютърна графика, показва потока от електрони (топки), пронизващ равнината. Грубостите в равнината представляват разпределението на заряда на един от електроните в присъствието на магнитно поле и заряда на други електрони. Ако към квантовата течност се добави електрон, тогава се образува определено количество квазичастици с фракционен заряд (на фигурата това е показано като набор от стрелки за всеки електрон).
През 1998 г. Хорст Щурмър, Даниел Цуи и Робърт Лофлин бяха наградени с Нобелова награда по физика. В момента Х. Стормър е професор по физика в Колумбийския университет, Д. Цуи е професор в Принстънския университет, а Р. Лофлин е професор в Станфордския университет.