Mysteries of Crossed Currents - Hall Effect

ในตอนท้ายของศตวรรษที่แล้ว Edwin Hall นักศึกษาฟิสิกส์ชาวอเมริกันคนหนึ่งได้ค้นพบชื่อของเขาลงในหนังสือเรียนฟิสิกส์ เขาทำการทดลองอย่างง่าย“ นักเรียน” - เขาศึกษาการแพร่กระจายของกระแสในแผ่นโลหะบาง ๆ ที่วางระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง นักศึกษาของมหาวิทยาลัยทุกแห่งจะได้รับการฝึกฝนในห้องปฏิบัติการซึ่งพวกเขาได้รับการสอนด้วยตัวอย่างง่าย ๆ เพื่อฝึกฝนการทดลอง ดังนั้นจึงเป็นเวลานี้ นักเรียนที่ต่ำต้อยไม่สามารถจินตนาการได้ว่าประสบการณ์ที่เรียบง่ายของเขาจะก่อให้เกิดหิมะถล่มของการวิจัยซึ่งบางส่วนจะถูกทำเครื่องหมายด้วยรางวัลทางวิทยาศาสตร์ที่มีเกียรติที่สุด - รางวัลโนเบล

อุปกรณ์ที่ฮอลล์ทำงานประกอบด้วยวงจรไฟฟ้าสองวงเรียงกัน - นี่คือวิธีที่พวกเขาผูกกล่องขนมด้วยริบบิ้น โซ่ที่แตกต่างกันนั้นหนึ่งในนั้นมีแบตเตอรี่ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าจากมันผ่านไปตามจานอื่น ๆ ตามขวางไม่มีแหล่งกระแสและเชื่อมต่อกับขอบของแผ่น

ตามที่คาดไว้ในกรณีที่แม่เหล็กไฟฟ้าถูกปิดเครื่องมือจะบันทึกการไหลของกระแสตามแผ่น - ในวงจรกับแบตเตอรี่ - และไม่มีในวงจรขวาง "ว่างเปล่า" ไม่น่าแปลกใจ อย่างไรก็ตามทันทีที่เปิดแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจรตามขวางราวกับว่าไม่มีสิ่งใดเกิดขึ้นกระแสไฟฟ้าจะปรากฏขึ้นเอง มันน่าสนใจ แต่ไม่มีปาฏิหาริย์ที่นี่ - คำอธิบายก็พบว่าค่อนข้างเร็ว อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในห่วงโซ่ยาวนั้นได้รับผลกระทบจากแรง Lorentz ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในตำราเรียนของโรงเรียนซึ่งเบี่ยงเบนอิเล็กตรอนไปในทิศทางตามขวางซึ่งสร้างกระแสเล็ก ๆ ในห่วงโซ่ตามขวาง - ทุกอย่างเป็นเรื่องง่ายประถม

เป็นเวลากว่าครึ่งศตวรรษที่ถูกลืมไปแล้วครึ่งหนึ่งปรากฏการณ์นี้ยังคงอยู่ทางด้านหลังของวิทยาศาสตร์กายภาพ ขุดในคลังเก็บโดยผู้เชี่ยวชาญในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ในตอนแรกมันกลับกลายเป็นว่าถ้าอุปกรณ์การวัดแบบหยาบของฮอลล์เวลาถูกแทนที่ด้วยสิ่งที่ทันสมัยแล้วปรากฏการณ์ที่เขาค้นพบสามารถใช้ในการนับจำนวนของอนุภาคที่มีประจุซึ่งการเคลื่อนไหวสร้างกระแสไฟฟ้าซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับนักออกแบบของทรานซิสเตอร์เสียงรบกวนต่ำ กระแสและสนามแม่เหล็ก

ผลของฮอลล์ได้รับการศึกษาอย่างรอบคอบโดยไม่ต้องใช้ความพยายามเพื่อปรับปรุงความแม่นยำ ทศนิยมตำแหน่งที่สามสี่และห้าบนตาชั่งของเครื่องมือวัด ... และที่นี่น่าทึ่งทันทีที่ปรากฎปรากฏการณ์ที่น่าเหลือเชื่อก็เริ่มปรากฏขึ้น

ผลลัพธ์ที่น่าอัศจรรย์ครั้งแรกเกิดขึ้นเมื่อยี่สิบปีที่แล้วในตอนท้ายของอายุเจ็ดสิบในการทดลองกับเซมิคอนดักเตอร์ในสนามแม่เหล็กแรงที่อุณหภูมิต่ำมากเพียงไม่กี่องศาจาก "ศูนย์สัมบูรณ์" - 273 องศาเซลเซียสเมื่อสารค้างมาก หยุดการเคลื่อนไหวของโมเลกุลทั้งหมดหยุด ดังนั้นถ้าที่อุณหภูมิปกติใกล้กับอุณหภูมิห้องความต้านทานไฟฟ้าในวงจรด้วย“ กระแสฮอลล์” จะค่อยๆเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มสนามแม่เหล็กด้วยเหตุผลบางอย่างที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์มันจะเปลี่ยนแบบทีละขั้น - ราวกับว่าเส้นทางเรียบไปตามกระแสอนุภาคเคลื่อนที่ ทันใดนั้นก็ให้วิธีการที่ปูด้วยการกระแทกลึก เส้นโค้งเรียบที่ตัวบันทึกเขียนถูกแทนที่ด้วย "บันได" เป็นระยะความสูงของขั้นตอนที่เท่ากับค่าคงที่บางหารด้วยจำนวนเต็ม n = 1, 2, 3 และอื่น ๆ

และสิ่งที่น่าแปลกใจมากขึ้นคือในแต่ละขั้นตอนความต้านทานในวงจรกระแสยาวตามแนวยาวจะลดลงสู่ศูนย์นั่นคือสำหรับกระแสยาวตามแนวยาวสารจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด - อิเล็กตรอนจะกลิ้งโดยไม่มีการต้านทานใด ๆ แต่ที่ข้อต่อ หายไปทันทีทั้งหมดนี้ดูเหมือนความสับสนบางอย่าง - อย่างที่พวกเขาพูดทุกอย่างถูกปนกันในบ้าน Oblonsky!

จะอธิบายพฤติกรรมที่แปลกประหลาดของกระแสน้ำที่เชี่ยวกรากได้อย่างไร? ทำไมพวกเขาถึงประพฤติตนแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง? electrodynamics กลายเป็นหนทางที่ไม่มีพลังต่อหน้าปริศนานี้ ... เราคุ้นเคยกับความจริงที่ว่าปรากฏการณ์ลึกลับเกิดขึ้นในการทดลองที่ซับซ้อนที่มีอนุภาคพื้นฐานหรือในอวกาศเมื่อมันมาถึงหลุมดำระเบิดกาแลคซีและวัตถุอื่น ๆ ที่ทำให้จินตนาการของเราประหลาดใจ มีความต้านทานและกระแส ตามและข้ามพื้นที่ดูแลเป็นอย่างดีและ - กับคุณ!

V. Barashenkov, E. Kapustsik