В чем состоит эффект холла: в чем заключается метод, что такое классический простыми словами, краткое описание

в чем заключается метод, что такое классический простыми словами, краткое описание

Содержание:

• Что такое эффект Холла — описание явления
• В чем суть, как объяснить простыми словами
• Какие бывают разновидности эффекта Холла
• Применение эффекта Холла на практике

Содержание

• Что такое эффект Холла — описание явления
• В чем суть, как объяснить простыми словами
• Какие бывают разновидности эффекта Холла
• Применение эффекта Холла на практике

Что такое эффект Холла — описание явления

Определение

Эффект Холла — это явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

Данный эффект был открыт в 1879 году Эдвином Холлом в тонких пластинках золота, когда ученый обнаружил на их краях разность потенциалов.

Принцип измерения: при помещении в магнитное поле пластины-проводника под 90 градусов к направлению силовых линий магнитного потока, произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца — силы, с которой электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. 

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Источник: avatars.mds.yandex.net

Таким образом, эффект Холла выражается действием магнитного поля на заряженную частицу. 

В чем суть, как объяснить простыми словами

Описание механизма работы: к проводящему проводнику подводится электрический ток, затем гальванометр подключается к его краям. Далее электромагнит включается так, чтобы линии напряженности поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Таким образом предполагалось выявить условия для изменения протекания тока. В результате было обнаружено, что при подаче на тонкий лист золота электрического тока заряд в ней распределялся равномерно по всей поверхности. Но как только добавляется ток — заряд переходит к краям и возникает разность потенциалов.

Именно на этом открытии позже были построены одноименные датчики.

Какие бывают разновидности эффекта Холла

Данный эффект бывает трех видов:

• аномальный;
• квантовый;
• спиновой.

Аномальный эффект способен проявляться в ненамагниченных материалах. Т.е. это такой метод, при котором появление напряжения не обусловлено влиянием магнитного поля. При этом необходимым условием для наблюдения данного эффекта является нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе.

Квантовый эффект Холла отличается тем, что он квантуется только в сильно намагниченных полях, которые приводят к кардинальной перестройке внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый эффект Холла наблюдается в ненамагниченных проводниках, которые не переместили в поле действия силовых линий магнита. Смыслом данного эффекта является то, что электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным краям пластины.

Применение эффекта Холла на практике

С помощью данного метода появилась возможность вычислять количество носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность при измерении напряжения магнитного поля. Его используют при построении моторов со следящим приводом. Использование метода позволяет измерить угол поворота вала мотора.

Также датчики Холла устанавливаются в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, в приводах дисководов и вентиляциях компьютерной техники. Их используют в мобильной и бытовой технике совместно с двигателями, в измерительном оборудовании за счет способности преобразовать магнитную индукцию в разность потенциалов.

Одним из главных преимуществ таких датчиков является их удобство и безопасность, которые достигаются путем электрической изоляции.

Датчики изготавливаются из таких металлов, как германий и кремний. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой.

Материал при этом должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для наибольшего эффекта вещество не должно обладать высокой электропроводностью. Преимуществом таких устройств является низкая зависимость от изменения температуры.

Насколько полезной была для вас статья?

Рейтинг: 3.00 (Голосов: 4)

Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»

Поиск по содержимому

что это такое, формулы, применение

В этой статье вы узнаете, что такое эффект Холла и как он применяется на практике. Вы также узнаете, как вывести напряжение Холла, и получите практический пример расчета. Наконец, мы рассмотрим другие варианты эффекта Холла, такие как квантовый эффект Холла.

Простое объяснение

Эффект Холла был продемонстрирован Эдвином Холлом в 1879 году. Как вы, возможно, уже знаете, сила Лоренца действует на движущийся заряд в магнитном поле.

Эффект Холла — это возникновение в электрическом проводнике разности потенциалов на краях образца (напряжения Холла) помещённом в поперечное магнитное поле, при протекании тока, перпендикулярному полю.

Википедия

Это создает электрическое напряжение, которое падает как в направлении протекания электрического тока, так и в направлении магнитного поля на проводнике и называется напряжением Холла.

Физическое объяснение эффекта Холла

Если приложить напряжение к электрическому проводнику, называемому здесь образцом, потечет электрический ток. Электроны движутся по проводнику со средней скоростью v, также называемой скоростью дрейфа. Если держать образец в стационарном магнитном поле, то на электроны действует сила Лоренца. Это вызывает отклонение электронов перпендикулярно движению. Это вызывает избыток электронов на стороне отклонения и соответствующий недостаток электронов на противоположной стороне.

Рис. 1. Эффект Холла: избыток и недостаток электронов

Вы можете представить себе это разделение зарядов как сходное с разделением зарядов в конденсаторе. Поскольку положительно и отрицательно заряженные стороны теперь находятся напротив друг друга, создается электрическое поле. Это электрическое поле оказывает на электроны силу, противоположную силе Лоренца. Если эти две силы компенсируют друг друга в одинаковой степени, то усиление разделения зарядов заканчивается.

Как и в случае с конденсатором, здесь можно отводить напряжение. Это электрическое напряжение называется напряжением Холла. Это напряжение Холла линейно возрастает с увеличением магнитного поля и антипропорционально плотности носителей заряда. Это объясняется тем, что неизменная сила тока при меньшем числе носителей заряда может быть достигнута только за счет большей скорости отдельных носителей заряда. Более сильная сила Лоренца действует на более быстрые носители заряда, что увеличивает напряжение Холла.

Вычисление напряжения Холла

Для того чтобы понять вывод напряжения Холла, необходимо базовое понимание векторного исчисления.

Здесь вы можете увидеть набросок расчета напряжения Холла. Он действителен только для одного типа носителей заряда, например, для металлических образцов.

Сила Лоренца, действующая на проводник в магнитном поле, задается следующим образом:

Где, сила Лоренца F, q — электрический заряд, v — скорость и магнитное поле B. В эффекте Холла возникает электрическое поле E, которое нейтрализует отклоняющую силу магнитного поля. Поэтому:

Для упрощения зададим систему координат так, чтобы носители заряда двигались в направлении x, а магнитное поле действовало в направлении z. Это дает v = ( v_x, 0, 0 ) и B = ( 0, 0, B_z ). После деления на q получается y-компонента:

E_y — v_xB_z = 0

Плотность тока J в проводнике выражается через J = n*q*v, при плотности носителей заряда n. Если преобразовать это уравнение в v_x и подставить его в вышеприведенное уравнение, то получится:

E_y = j_x * B_z * ( 1 / n * q ) = A_H * j_x * B_z.

Мы определили коэффициента Холла A_H, которая характеризует силу эффекта Холла.

Поскольку вы уже знаете, что можно рассматривать разделение зарядов аналогично разделению в конденсаторе, то для упрощения можно использовать следующее обозначение:

E_y = U_H / b

Плотность тока в этом случае может быть выражена через j_x = I / b*d, где I — сила тока, b — ширина проводника и d — толщина проводника. Подставляя оба выражения, получаем для напряжения Холла следующее выражение:

U_H = A_H * ( I * B_z / d )

Расчёт коэффициента Холла

В качестве примера представьте медную пластину (ширина b = 18 мм, толщина d = 0,001 м). Она вносится в магнитное поле с плотностью магнитного потока B = 1,2 Тл. Если через пластину протекает электрический ток I = 15 А, то можно измерить напряжение Холла U_H = — 1,02 * 10^-6 В .

Рис. 2. Расчет коэффициента холла

Если взять приведенную выше формулу и преобразовать ее в A_H, то получится: A_H = U_H * d / I * B .

Подставляя значения, можно вычислить коэффициент Холла, то есть: A_H = — 1,02 * 10^-6 * 0,001 / 15 * 1,2 = — 5,7 * 10^-11 мм³ / Кл

По их отрицательному знаку видно, что это электроны, а не дырки или положительные заряды.

Применение эффекта Холла

Эффект Холла используется в нескольких областях. В электронике, например, он используется для так называемых датчиков Холла. Они используются для измерения магнитных полей. Для этого известен коэффициент Холла конкретного материала, задается необходимый электрический ток и, таким образом, вычисляется напряжение Холла. С помощью приведенной выше формулы датчик Холла может рассчитать магнитное поле.

Кроме того, эффект Холла также используется для расчета плотности носителей заряда. Для этого измеряется коэффициент Холла и уравнение преобразуется соответствующим образом.

Квантовый эффект Холла.

В квантовом эффекте Холла электрический ток не может произвольно изменяться при низких температурах и сильных магнитных полях в двумерных системах путем изменения напряженности магнитного поля. Вместо этого он изменяется ступенчато.

Существуют и другие известные эффекты Холла. Например, спин-эффект Холла, планарный эффект Холла, тепловой эффект Холла и эффект Нернста.

Список использованной литературы

1. Ashcroft Neil W., Mermin N. David. Solid state physics : [англ.]. — New York : Saunders College Publishing, 1976. — ISBN 0-03-083993-9.
2. Введение в физику плазмы и управляемый синтез, Том 1, Физика плазмы, второе издание, 1984, Фрэнсис Ф. Чен
3. Абрикосов А. А. Основы теории металлов. — Москва: «Наука», главная редакция физико-математической литературы, 1987. — 520 с. — ISBN нет, ББК 22.37, УДК 539.21 (075.8).

Эффект Холла

Эффект Холла

Если электрический ток течет по проводнику в магнитном поле, магнитное поле действует на движущиеся носители заряда поперечную силу, которая стремится оттолкнуть их к одной стороне проводника. Это наиболее очевидно в тонком плоском проводнике, как показано на рисунке. Накопление заряда на сторонах проводников уравновешивает это магнитное влияние, создавая измеримое напряжение между двумя сторонами проводника. Наличие этого измеримого поперечного напряжения называется эффектом Холла в честь Э. Х. Холла, открывшего его в 1879 г.. Обратите внимание, что направление тока I на диаграмме совпадает с направлением обычного тока, так что движение электронов происходит в противоположном направлении. Это еще больше сбивает с толку все манипуляции с «правилом правой руки», через которые вам нужно пройти, чтобы получить направление сил. Напряжение Холла определяется как . В Н = IB/нед , где n = плотность мобильных зарядов и e = заряд электрона. Эффект Холла можно использовать для измерения магнитных полей с помощью датчика Холла. Датчик Холла для измерения магнитного поля

Индекс Применение магнитных сил Концепции магнитного поля

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Поперечное напряжение (эффект Холла), измеренное датчиком Холла, возникает из-за магнитной силы, действующей на движущийся носитель заряда. Магнитная сила равна F м = ev d B, где v d — скорость дрейфа заряда. Ток, выраженный через скорость дрейфа, равен I = neAv d , где n — плотность носителей заряда. Затем F м = eIB/neA В равновесии F м =F e =V H e/W И замена дает В Н = IB/нед	Индекс Электромагнитная сила Магнитная сила Концепции магнитного поля
Гиперфизика***** Электричество и магнетизм 9 0061 R Ступица	Назад

Измерение больших магнитных полей порядка Тесла часто выполняется с использованием эффекта Холла. Тонкопленочный датчик Холла помещают в магнитное поле и измеряют поперечное напряжение (порядка микровольт). 9вольт.

Индекс

Электромагнитная сила

Магнитная сила

Концепции магнитного поля

 

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм

9 0061 R Ступица

Назад

Эффект Холла — это явление проводимости, которое различно для разных носителей заряда. В большинстве распространенных электрических приложений обычный ток используется отчасти потому, что не имеет значения, считаете ли вы движущимся положительный или отрицательный заряд. Но напряжение Холла имеет разную полярность для положительных и отрицательных носителей заряда, и его использовали для изучения деталей проводимости в полупроводниках и других материалах, которые демонстрируют комбинацию отрицательных и положительных носителей заряда. Эффект Холла можно использовать для измерения средней скорости дрейфа носителей заряда путем механического перемещения зонда Холла с различными скоростями до тех пор, пока напряжение Холла не исчезнет, ​​показывая, что теперь носители заряда не движутся относительно магнитного поля. Другие типы исследований поведения носителей изучаются в квантовом эффекте Холла.

Указатель Электромагнитная сила Магнитная сила Концепции магнитного поля

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Вернуться

Эффект Холла | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать эффект Холла.
• Рассчитайте ЭДС Холла на проводнике с током.

Мы видели влияние магнитного поля на свободно движущиеся заряды. Магнитное поле также влияет на заряды, движущиеся в проводнике. Одним из результатов является эффект Холла, который имеет важные последствия и приложения. На рис. 1 показано, что происходит с зарядами, движущимися по проводнику в магнитном поле. Поле перпендикулярно скорости дрейфа электронов и ширине проводника. Обратите внимание, что условный ток находится справа в обеих частях рисунка. В части (а) электроны переносят ток и движутся влево. В части (b) положительные заряды переносят ток и движутся вправо. Движущиеся электроны испытывают магнитную силу по направлению к одной стороне проводника, оставляя чистый положительный заряд на другой стороне. Это разделение заряда создает напряжение ε , известное как ЭДС Холла , на проводнике. Создание напряжения на проводнике с током магнитным полем известно как эффект Холла в честь Эдвина Холла, американского физика, открывшего его в 1879 году.

Рисунок 1. Эффект Холла. (а) В этом плоском проводнике электроны движутся влево (условный ток вправо). Магнитное поле находится прямо за пределами страницы и представлено точками в кружках; он действует на движущиеся заряды с силой, вызывая напряжение ε , ЭДС Холла на проводнике. (b) Положительные заряды, движущиеся вправо (обычный ток также вправо), смещаются в сторону, создавая ЭДС Холла противоположного знака, –ε . Таким образом, зная направление поля и тока, можно определить знак носителей заряда по эффекту Холла.

Одним из очень важных применений эффекта Холла является определение того, какие положительные или отрицательные заряды переносят ток. Обратите внимание, что на рисунке 1 (b), где положительные заряды переносят ток, ЭДС Холла имеет знак, противоположный тому, когда отрицательные заряды переносят ток. Исторически эффект Холла использовался, чтобы показать, что электроны переносят ток в металлах, а также показывает, что положительные заряды переносят ток в некоторых полупроводниках. Эффект Холла используется сегодня в качестве инструмента исследования для изучения движения зарядов, их скоростей дрейфа и плотности и т. д. в материалах. В 1980 было обнаружено, что эффект Холла квантуется, что является примером квантового поведения в макроскопическом объекте.

Эффект Холла можно использовать и в других областях: от определения скорости кровотока до точного измерения напряженности магнитного поля. Чтобы исследовать их количественно, нам нужно выражение для ЭДС Холла ε на проводнике. Рассмотрим баланс сил на движущийся заряд в ситуации, когда B , v и l взаимно перпендикулярны, как показано на рис. 2. Хотя магнитная сила сдвигает отрицательные заряды в одну сторону, они не могут строить вверх без ограничений. Электрическое поле, вызванное их разделением, противодействует магнитной силе, F = qvB , а электрическая сила, F _e = qE , со временем вырастает и становится равной ей. То есть

qE = qvB

или

E = vB.

Обратите внимание, что электрическое поле E однородно поперек проводника, потому что магнитное поле B однородно, как и проводник. Для однородного электрического поля соотношение между электрическим полем и напряжением равно 90 293 E  9029.5 = ε / l , где l — ширина проводника, а ε — ЭДС Холла. Ввод этого в последнее выражение дает

[латекс]\фракция{\эпсилон}{л}=vB[/латекс].

Решение этого уравнения для ЭДС Холла дает

ε = Blv (B, v и l взаимно перпендикулярны),

, где ε 9029 5 — напряжение эффекта Холла на проводнике шириной мк. через которые заряды движутся со скоростью против .

Рис. 2. ЭДС Холла ε создает электрическую силу, которая уравновешивает магнитную силу, действующую на движущиеся заряды. Магнитная сила вызывает разделение зарядов, которое накапливается до тех пор, пока не уравновесится электрической силой, равновесие, которое достигается быстро.

Одним из наиболее распространенных применений эффекта Холла является измерение напряженности магнитного поля B . Такие устройства, называемые датчиками Холла , можно сделать очень маленькими, что позволяет точно отображать положение. Датчики Холла также можно сделать очень точными, что обычно достигается путем тщательной калибровки. Еще одним применением эффекта Холла является измерение расхода жидкости в любой жидкости, которая имеет свободные заряды (большинство из них). (См. рис. 3.) Магнитное поле, приложенное перпендикулярно направлению потока, создает ЭДС Холла ε , как показано. Заметим, что знак ε зависит не от знака зарядов, а только от направлений B и v . Величина ЭДС Холла равна , где l — диаметр трубы, так что среднюю скорость v можно определить из ε при условии, что известны другие факторы.

Рис. 3. Эффект Холла можно использовать для измерения расхода любой жидкости, имеющей свободные заряды, например крови. ЭДС Холла ε измеряется поперек трубы перпендикулярно приложенному магнитному полю и пропорциональна средней скорости против .

Пример 1. Расчет ЭДС Холла: эффект Холла для кровотока

Датчик потока на эффекте Холла помещают на артерию, приложив к ней магнитное поле 0,100 Тл, в установке, аналогичной показанной на рис. 3. Что такое ЭДС Холла при внутреннем диаметре сосуда 4,00 мм и средней скорости крови 20,0 см/с?

Стратегия

Поскольку B , v и l взаимно перпендикулярны, уравнение 9{-3}\text{ m}\right)\left(0.200\text{ м/с}\right)\\ & =& 80.0\text{ }\mu\text{V}\end{массив}\\ [/latex]

Обсуждение

Это среднее выходное напряжение. Мгновенное напряжение изменяется при пульсирующем токе крови. Напряжение в этом типе измерения мало. ε особенно трудно измерить, потому что существуют напряжения, связанные с работой сердца (напряжения ЭКГ), которые имеют порядок милливольт. На практике эта трудность преодолевается приложением переменного магнитного поля, так что ЭДС Холла является переменным с той же частотой. Усилитель может быть очень избирательным, выбирая только подходящую частоту, исключая сигналы и шумы на других частотах.

Резюме раздела

• Эффект Холла — это создание напряжения  ε , известного как ЭДС Холла, на проводнике с током магнитным полем.
• ЭДС Холла определяется выражением

  ε = Blv (B, v и l взаимно перпендикулярны)

  для проводника шириной l , по которому движутся заряды со скоростью v .

Концептуальные вопросы

1. Обсудите, как можно использовать эффект Холла для получения информации о плотности свободного заряда в проводнике. (Подсказка: подумайте, как связаны скорость дрейфа и течение.)

Задачи и упражнения

1. Большой водопровод имеет диаметр 2,50 м и среднюю скорость воды 6,00 м/с. Найдите напряжение Холла, возникающее, если труба проходит перпендикулярно к полю Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ -T.

2. Какое напряжение Холла создается полем 0,200 Тл, приложенным к аорте диаметром 2,60 см при скорости кровотока 60,0 см/с?

3. (a) Какова скорость сверхзвукового самолета с размахом крыла 17,0 м, если он испытывает напряжение Холла 1,60 В между законцовками крыла при горизонтальном полете над северным магнитным полюсом, где напряженность поля Земли равно 8,00 × 10 ^{− 5}  T? б) Объясните, почему из-за этого напряжения Холла протекает очень небольшой ток.

4. Немеханический водомер может использовать эффект Холла, прикладывая магнитное поле к металлической трубе и измеряя возникающее напряжение Холла. Какова средняя скорость жидкости в трубе диаметром 3,00 см, если поле 0,500 Тл поперек нее создает напряжение Холла 60,0 мВ?

5. Рассчитайте напряжение Холла, индуцируемое на сердце пациента во время сканирования на аппарате МРТ. Аппроксимируйте проводящую дорожку на стенке сердца проводом длиной 7,50 см, который движется со скоростью 10,0 см/с перпендикулярно магнитному полю силой 1,50 Тл.

6. Зонд Холла, откалиброванный для считывания 1,00 мкВ при помещении в поле 2,00 Тл, помещают в поле 0,150 Тл. Какое у него выходное напряжение?

7. Используя информацию из Примера 2: Расчет сопротивления: сопротивление горячей нити, каким будет напряжение Холла, если поле 2,00 Тл приложено к медному проводу 10-го калибра (диаметром 2,588 мм), несущему ток 20,0 А. текущий?

8. Покажите, что напряжение Холла на проводах из одного материала, по которым текут одинаковые токи и в одном и том же магнитном поле, обратно пропорционально их диаметру. (Подсказка: учтите, как скорость дрейфа зависит от диаметра проволоки.)

9. Пациенту с кардиостимулятором ошибочно проводят сканирование для получения МРТ-изображения. Участок провода кардиостимулятора длиной 10,0 см движется со скоростью 10,0 см/с перпендикулярно магнитному полю аппарата МРТ, и индуцируется напряжение Холла 20,0 мВ. Какова напряженность магнитного поля?

Глоссарий

Эффект Холла:

создание напряжения на проводнике с током магнитным полем

ЭДС Холла:

электродвижущая сила, создаваемая проводником с током магнитным полем, ε = Blv

Избранные решения задач и упражнений

1.