Ефе́кт Хо́лла або Ефект Голла — явище, при якому виникає поперечна різниця потенціалів під час розміщення провідника з постійним струмом у магнітному полі. Відкритий Едвіном Голлом у 1879 році в тонких пластинах золота.
Властивості
У найпростішому розгляді ефект Холла має такий вигляд. Нехай через металевий брусок у слабкому магнітному полі протікає електричний струм під дією напруженості . Магнітне поле буде відхиляти носії заряду (для визначеності електрони) від їхнього руху вздовж або проти електричного поля до однієї з граней бруса.
Таким чином, сила Лоренца призведе до накопичення негативного заряду біля однієї грані бруса та позитивного – біля протилежної грані. Накопичення заряду продовжуватиметься доти, поки електричне поле зарядів , яке виникло під дією магнітного поля, не врівноважить магнітну складову сили Лоренца:
Швидкість електронів можна виразити через густину струму:
де — концентрація носіїв заряду. Тоді
Коефіцієнт пропорційності між та називається коефіцієнтом Холла. У такому наближенні знак коефіцієнта Холла залежить від знаку носіїв заряду, що дозволяє визначати їхній тип для великого числа металів. Для деяких металів (наприклад, таких як свинець, цинк, залізо, кобальт, вольфрам) у сильних полях спостерігається позитивний заряд , що пояснюється в напівкласичній і квантовій теоріях твердого тіла.
Аномальний ефект Холла
Випадок появи напруги (електричного поля) у зразку, перпендикулярної напрямку струму, який пропускається через зразок, що спостерігається під час відсутності прикладеного постійного магнітного поля (тобто, явище повністю аналогічне ефекту Холла, але спостерігається без зовнішнього постійного магнітного поля), називається аномальним ефектом Холла.
Необхідною умовою для спостереження аномального ефекту Холла є порушення інваріантності по відношенню до перетворення часу в системі. Наприклад, аномальний ефект Холла може спостерігатися у зразках з намагніченістю.
Квантовий ефект Холла
У сильних магнітних полях в плоскому провідникові (тобто, у квазідвомірному електронному газі) в системі починають проявлятися квантові ефекти, що призводить до появи квантового ефекту Холла: квантування холлівського опору. У ще сильніших магнітних полях проявляється дробовий квантовий ефект Холла, пов'язаний з кардинальною перебудовою внутрішньої структури двомірної .
Спіновий ефект Холла
У випадку відсутності магнітного поля в немагнітних провідниках може спостерігатися відхилення носіїв заряду з протилежними напрямами спінів у різні сторони перпендикулярно електричному полю. Це явище, що дістало назву спінового ефекту Холла, було теоретично передбачене Дьяконовим і Перелем у 1971 р. Розрізняють зовнішній і внутрішній спінові ефекти. Перший з них пов'язаний зі спін-залежним розсіюванням, а другий – зі спін-орбітальною взаємодією.
Магнетоопір
Едвін Голл проводив досліди з метою виявлення зростання опору провідника у магнітному полі, однак, у слабких полях не зареєстрував такого зростання. Воно не випливає також з теорії металів Друде, розрахунки за якою наведені вище. Однак, магнітоопір у достатній мірі проявляється у сильних магнітних полях при строгіших розрахунках.
Застосування
Ефект Холла, у деяких випадках, дозволяє визначити тип носіїв заряду (електронний або дірковий) у металі або напівпровіднику, що робить його придатним для дослідження властивостей напівпровідників. На основі ефекту Холла функціонують сенсори Холла: прилади, що вимірюють напруженість магнітного поля. Сенсори Холла набули поширення у безколекторних, або вентильних, електродвигунах (сервомоторах). Сенсори закріплюються безпосередньо на статорі двигуна та виступають в ролі датчика положення ротора, що реалізує зворотний зв'язок з положення ротора. На основі ефекту Холла працюють деякі види іонних реактивних двигунів.
Розщеплені холлівські структури
Значна зацікавленість останнім часом проявляється до сенсорів на розщеплених холлівських структурах (РХС). На відміну від традиційних елементів Холла з двома потенціальними виходами та симетричною структурою, РХС передбачають розвиненішу топологію на базі декількох напівелементів Холла. На основі РХС формують різноманітні сенсори для вимірювання просторового розподілу магнітного поля, зокрема, двокоординатні 2D та трикоординатні 3D зонди. Перевагою РХС є можливість підвищення просторової роздільної здатності вимірювання ортогональних проєкцій вектора індукції магнітного поля та розширення функціональних можливостей.
Див. також
Посилання
- Naoto Nagaosa, Jairo Sinova, Shigeki Onoda, A. H. MacDonald and N. P. Ong. Anomalous Hall effect : ( )[англ.] // . — 2010. — Vol. 82, no. 2. — С. 1539–1592.
Література
- Абрикосов А. А. Основы теории металлов. — М. : Наука, 1987. — 520 с.
- Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. — М. : Мир, 1979. — Т. 1. — С. 27-31.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Efe kt Ho lla abo Efekt Golla dzherelo yavishe pri yakomu vinikaye poperechna riznicya potencialiv pid chas rozmishennya providnika z postijnim strumom u magnitnomu poli Vidkritij Edvinom Gollom u 1879 roci v tonkih plastinah zolota Efekt Holla 1 Elektroni 2 Zond 3 Magniti 4 Magnitne pole 5 Dzherelo strumuVlastivostiU najprostishomu rozglyadi efekt Holla maye takij viglyad Nehaj cherez metalevij brusok u slabkomu magnitnomu poli B displaystyle B protikaye elektrichnij strum pid diyeyu napruzhenosti E displaystyle E Magnitne pole bude vidhilyati nosiyi zaryadu dlya viznachenosti elektroni vid yihnogo ruhu vzdovzh abo proti elektrichnogo polya do odniyeyi z granej brusa Takim chinom sila Lorenca prizvede do nakopichennya negativnogo zaryadu bilya odniyeyi grani brusa ta pozitivnogo bilya protilezhnoyi grani Nakopichennya zaryadu prodovzhuvatimetsya doti poki elektrichne pole zaryadiv E1 displaystyle E 1 yake viniklo pid diyeyu magnitnogo polya ne vrivnovazhit magnitnu skladovu sili Lorenca eE1 evB E1 vB displaystyle eE 1 evB Rightarrow E 1 vB Shvidkist elektroniv v displaystyle v mozhna viraziti cherez gustinu strumu j nev v jne displaystyle j nev Rightarrow v frac j ne de n displaystyle n koncentraciya nosiyiv zaryadu Todi E1 1nejB displaystyle E 1 frac 1 ne jB Koeficiyent RH 1ne displaystyle R H frac 1 ne proporcijnosti mizh E1 displaystyle E 1 ta jB displaystyle jB nazivayetsya koeficiyentom Holla U takomu nablizhenni znak koeficiyenta Holla zalezhit vid znaku nosiyiv zaryadu sho dozvolyaye viznachati yihnij tip dlya velikogo chisla metaliv Dlya deyakih metaliv napriklad takih yak svinec cink zalizo kobalt volfram u silnih polyah sposterigayetsya pozitivnij zaryad RH displaystyle R H sho poyasnyuyetsya v napivklasichnij i kvantovij teoriyah tverdogo tila Anomalnij efekt HollaVipadok poyavi naprugi elektrichnogo polya u zrazku perpendikulyarnoyi napryamku strumu yakij propuskayetsya cherez zrazok sho sposterigayetsya pid chas vidsutnosti prikladenogo postijnogo magnitnogo polya tobto yavishe povnistyu analogichne efektu Holla ale sposterigayetsya bez zovnishnogo postijnogo magnitnogo polya nazivayetsya anomalnim efektom Holla Neobhidnoyu umovoyu dlya sposterezhennya anomalnogo efektu Holla ye porushennya invariantnosti po vidnoshennyu do peretvorennya chasu v sistemi Napriklad anomalnij efekt Holla mozhe sposterigatisya u zrazkah z namagnichenistyu Kvantovij efekt HollaDokladnishe Kvantovij efekt Holla U silnih magnitnih polyah v ploskomu providnikovi tobto u kvazidvomirnomu elektronnomu gazi v sistemi pochinayut proyavlyatisya kvantovi efekti sho prizvodit do poyavi kvantovogo efektu Holla kvantuvannya hollivskogo oporu U she silnishih magnitnih polyah proyavlyayetsya drobovij kvantovij efekt Holla pov yazanij z kardinalnoyu perebudovoyu vnutrishnoyi strukturi dvomirnoyi Spinovij efekt HollaU vipadku vidsutnosti magnitnogo polya v nemagnitnih providnikah mozhe sposterigatisya vidhilennya nosiyiv zaryadu z protilezhnimi napryamami spiniv u rizni storoni perpendikulyarno elektrichnomu polyu Ce yavishe sho distalo nazvu spinovogo efektu Holla bulo teoretichno peredbachene Dyakonovim i Perelem u 1971 r Rozriznyayut zovnishnij i vnutrishnij spinovi efekti Pershij z nih pov yazanij zi spin zalezhnim rozsiyuvannyam a drugij zi spin orbitalnoyu vzayemodiyeyu MagnetoopirDokladnishe Magnetoopir Edvin Goll provodiv doslidi z metoyu viyavlennya zrostannya oporu providnika u magnitnomu poli odnak u slabkih polyah ne zareyestruvav takogo zrostannya Vono ne viplivaye takozh z teoriyi metaliv Drude rozrahunki za yakoyu navedeni vishe Odnak magnitoopir u dostatnij miri proyavlyayetsya u silnih magnitnih polyah pri strogishih rozrahunkah ZastosuvannyaSensor Holla sho vikoristovuyetsya dlya vimiryuvannya sili strumu u providniku Na vidminu vid transformatora strumu vimiryuye takozh i postijnij strum Efekt Holla u deyakih vipadkah dozvolyaye viznachiti tip nosiyiv zaryadu elektronnij abo dirkovij u metali abo napivprovidniku sho robit jogo pridatnim dlya doslidzhennya vlastivostej napivprovidnikiv Na osnovi efektu Holla funkcionuyut sensori Holla priladi sho vimiryuyut napruzhenist magnitnogo polya Sensori Holla nabuli poshirennya u bezkolektornih abo ventilnih elektrodvigunah servomotorah Sensori zakriplyuyutsya bezposeredno na statori dviguna ta vistupayut v roli datchika polozhennya rotora sho realizuye zvorotnij zv yazok z polozhennya rotora Na osnovi efektu Holla pracyuyut deyaki vidi ionnih reaktivnih dviguniv Rozshepleni hollivski strukturiDokladnishe Rozshepleni hollivski strukturi Znachna zacikavlenist ostannim chasom proyavlyayetsya do sensoriv na rozsheplenih hollivskih strukturah RHS Na vidminu vid tradicijnih elementiv Holla z dvoma potencialnimi vihodami ta simetrichnoyu strukturoyu RHS peredbachayut rozvinenishu topologiyu na bazi dekilkoh napivelementiv Holla Na osnovi RHS formuyut riznomanitni sensori dlya vimiryuvannya prostorovogo rozpodilu magnitnogo polya zokrema dvokoordinatni 2D ta trikoordinatni 3D zondi Perevagoyu RHS ye mozhlivist pidvishennya prostorovoyi rozdilnoyi zdatnosti vimiryuvannya ortogonalnih proyekcij vektora indukciyi magnitnogo polya ta rozshirennya funkcionalnih mozhlivostej Div takozhPoperechna magnitoprovidnist Kvantovij efekt Holla Magnetoopir Rozshepleni hollivski strukturi Dvigun na efekti HollaPosilannyaNaoto Nagaosa Jairo Sinova Shigeki Onoda A H MacDonald and N P Ong Anomalous Hall effect angl 2010 Vol 82 no 2 S 1539 1592 LiteraturaAbrikosov A A Osnovy teorii metallov M Nauka 1987 520 s Ashkroft N Mermin N Fizika tverdogo tela M Mir 1979 T 1 S 27 31