efectul de hol

Efectul Hall este un fenomen fizic pentru care se observă o diferență de potențial într-o direcție transversală într-un conductor traversat de un curent electric în direcție longitudinală atunci când este supus unui câmp magnetic perpendicular. Acesta poartă numele fizicianului american Edwin Hall .

Efectul

Reprezentarea efectului Hall. Legenda: 1. electroni ; 2. elementul Hall sau senzorul Hall; 3. magnetul ; 4. câmpul magnetic ; 5. bateria . Figurile A, B, C și D descriu patru direcții diferite ale câmpului magnetic și ale curentului.

Notă: literele și numerele indicate în text se referă la imaginea alăturată.

Elementul Hall (2) este format dintr-o bandă de material care poate conduce electricitatea, de obicei un metal conductor sau un semiconductor . Grosimea benzii este neglijabilă în comparație cu celelalte două dimensiuni. Un curent este făcut să curgă în acest material prin aplicarea unei baterii (5) la capetele sale. În conductori, electronii (1), fiind încărcați negativ, se deplasează de la polul negativ la polul pozitiv al bateriei. Magnetul (3) creează un câmp magnetic (4) care merge de la polul nord la polul sud al aceluiași magnet . Elementul Hall este scufundat în acest câmp magnetic .

Deoarece electronii de conducere se mișcă și sunt afectați de câmpul magnetic, forța Lorentz acționează asupra lor:

{\vec {F}}=q{\vec {v}}\times {\vec {B}}

{\ displaystyle {\ vec {F}} = q {\ vec {v}} \ times {\ vec {B}}}

{\ displaystyle {\ vec {F}} = q {\ vec {v}} \ times {\ vec {B}}}

unde este:

$q$ ${\ displaystyle q}$ $q$ este sarcina electronului egală cu aproximativ −1.6022 × 10 ⁻¹⁹ C.
${\vec {v}}$ ${\ displaystyle {\ vec {v}}}$ $\ vec {v}$ este viteza (de derivare) a electronului.
${\vec {B}}$ ${\ displaystyle {\ vec {B}}}$ ${\ vec {B}}$ este câmpul magnetic .

Folosind produsul vector ${\vec {F}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}}}$ ${\ vec {F}}$ , ${\vec {v}}$ ${\ displaystyle {\ vec {v}}}$ $\ vec {v}$ Și ${\vec {B}}$ ${\ displaystyle {\ vec {B}}}$ ${\ vec {B}}$ formează o triază dreaptă, adică folosind regula mâinii drepte , degetul mare indică direcția vitezei, de la polul negativ al bateriei la cel pozitiv, indicele indică direcția câmpului magnetic , adică de la polul nord la polul sud al magnetului, iar degetul mijlociu indică direcția forței ${\vec {F}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}}}$ ${\ vec {F}}$ . Trebuie avut în vedere că sarcina electronică este negativă ( q = -1,6022 × 10 ⁻¹⁹ C ) și, prin urmare, produsul ${\vec {v}}\times {\vec {B}}$ ${\ displaystyle {\ vec {v}} \ times {\ vec {B}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {v}} \ times {\ vec {B}}}$ schimbă semnul. În figura A, de exemplu, regula mâinii drepte ar indica o forță îndreptată în jos, dar, având în vedere semnul negativ, forța rezultată este îndreptată în sus. Pentru comoditate, regula mâinii drepte poate fi aplicată luând în considerare o viteză opusă celei reale, incluzând astfel deja semnul negativ în direcția vitezei și obținând direct direcția forței. Prin urmare, pentru calcule, este suficient să se utilizeze modulul de încărcare a electronilor.

Deoarece bateria și magnetul sunt aranjate în figura A , prin urmare, electronii sunt supuși unei forțe ascendente. Acest lucru poate fi verificat prin măsurarea tensiunii între zonele superioare și inferioare ale elementului Hall. După cum se indică în figura cu zone albastre și roșii, electronii forțați să meargă în sus creează o îngroșare a sarcinilor negative și, pentru neutralitatea totală a elementului Hall, se formează un grup de sarcini pozitive în partea de jos. Diferența de potențial măsurată între părțile înalte și cele joase se numește potențial Hall .

Figurile B , C și D arată tendința forței la care sunt supuși electronii pe măsură ce direcțiile de tensiune ale bateriei și ale câmpului magnetic variază, în B și C în jos și în D în sus.

Complet funcțional

Pe măsură ce electronii se mișcă, acumulările de sarcină cresc. După o destul de lungă de timp , o stare de echilibru dinamic al forțelor va fi atins între longitudinala câmpului electric (cel dat de tensiunea Hall) și forța Lorentz, adică:

qE=qv_{d}B\qquad \Rightarrow \qquad {\vec {F}}s=q{\vec {v}}s\times {\vec {B}}

{\ displaystyle qE = qv_ {d} B \ qquad \ Rightarrow \ qquad {\ vec {F}} s = q {\ vec {v}} s \ times {\ vec {B}}}

{\ displaystyle qE = qv_ {d} B \ qquad \ Rightarrow \ qquad {\ vec {F}} s = q {\ vec {v}} s \ times {\ vec {B}}}

unde este $ȘI$ ${\ displaystyle E}$ $ȘI$ reprezintă modulul câmpului electric dintre cele două extreme (superioară și inferioară) ale conductorului. Fiind tensiunea Hall:

{\Delta V}_{H}=Ed_{2}=v_{d}Bd_{2}={\frac {1}{nq}}{\frac {iB}{d_{1}}}

{\ displaystyle {\ Delta V} _ {H} = Ed_ {2} = v_ {d} Bd_ {2} = {\ frac {1} {nq}} {\ frac {iB} {d_ {1}}} }

{\ displaystyle {\ Delta V} _ {H} = Ed_ {2} = v_ {d} Bd_ {2} = {\ frac {1} {nq}} {\ frac {iB} {d_ {1}}} }

găsim $ȘI$ ${\ displaystyle E}$ $ȘI$ și, prin urmare, viteza încărcăturilor electrice. Uneori relația

R_{H}={\frac {1}{nq}}

{\ displaystyle R_ {H} = {\ frac {1} {nq}}}

{\ displaystyle R_ {H} = {\ frac {1} {nq}}}

se numește constanta lui Hall . Cunoașterea dimensiunilor fizice ale conductorului și a intensității curentului electric $i=JA=nqv_{d}A$ ${\ displaystyle i = JA = nqv_ {d} A}$ ${\ displaystyle i = JA = nqv_ {d} A}$ , putem determina, de asemenea, numărul de încărcături electrice care trec printr-o secțiune a elementului Hall. Intr-adevar:

n={\frac {i}{qv_{d}A}}

{\ displaystyle n = {\ frac {i} {qv_ {d} A}}}

n = \ frac {i} {q v_d A}

unde este:

$n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ este numărul de taxe pe unitate de volum,
$LA$ ${\ displaystyle A}$ $LA$ este zona elementului Hall,
$the$ ${\ displaystyle i}$ $the$ este intensitatea curentului.

Determinarea transportatorilor de taxe

Până în 1879 nu se știa nimic despre semnul sarcinilor în mișcare într-un conductor: direcția convențională a curentului este aceea care ar fi avut sarcini pozitive libere să se deplaseze din zone cu potențial mai mare în zone cu potențial mai mic. Semnul pozitiv a fost atribuit așa-numitei energii vitroase, adică sarcinii asumate de sticla frecată cu o cârpă.

Conductorul metalic este, în general, neutru, dar sarcinile în mișcare liberă (purtători de sarcină) din interiorul acestuia ar fi putut fi atât pozitive, cât și negative. În acest din urmă caz, s-ar fi mutat din zone cu potențial mai mic în zone cu potențial mai mare. Cu toate acestea, pentru aplicațiile electrice, cele două modele erau echivalente.

Prin efectul Hall este posibil să înțelegem dacă sarcinile în mișcare dintr-un conductor sunt pozitive sau negative.

Acțiunea Hall are efect asupra sarcinilor pozitive și negative

Pentru a verifica, de exemplu, se poate prelua o foaie de metal (elementul Hall). Atât acest lucru este traversat de un câmp magnetic B (a se vedea figura), cât și de un curent generat de o baterie . Direcția convențională a curentului I merge de la polul pozitiv la cel negativ al bateriei și reprezintă direcția mișcării sarcinilor pozitive, evident mișcarea sarcinilor negative este opusă, adică de la polul negativ la cel pozitiv . Sarcinile în mișcare suferă forța Lorentz . Considerăm încărcările pozitive, aplicând regula mâinii drepte punem indexul ca viteza v ₊ , adică de la stânga la dreapta, iar mijlocul ca direcția câmpului magnetic . Se pare că forța este îndreptată în sus. De asemenea, pentru sarcinile negative, având în vedere că valoarea sarcinilor are semn opus, direcția forței care acționează asupra lor este întotdeauna îndreptată în sus. Forța Lorentz acționează numai asupra sarcinilor mobile: aceasta înseamnă că în partea superioară a elementului Hall se creează o îngroșare a sarcinilor mobile, în timp ce în partea inferioară, în virtutea neutralității totale a foliei, există o îngroșare a sarcina opusă. Experimental se observă, prin măsurarea tensiunii Hall generate, că într-un conductor metalic sarcinile în mișcare sunt negative, deci electroni . În mod similar, se experimentează că într-un semiconductor dopat de tip n , purtătorii de sarcină au un semn negativ, în timp ce într-un semiconductor dopat p sarcinile în mișcare sunt cele pozitive, numite și goluri . În semiconductorii puri, atât găurile, cât și electronii sunt implicați în conducerea electrică.

Utilizări

Senzor efect Hall

Există o anumită legătură între curentul care curge în elementul Hall și tensiunea Hall măsurată: aceasta permite crearea de rezistențe de precizie.

Efectul Hall este, de asemenea, utilizat în sondele de curent, cum ar fi clemele amperometrice : aceste instrumente particulare pot măsura intensitatea curentului electric care curge într-un fir fără a fi nevoie să amplasați instrumentul de măsurare în serie, adică fără a opri și a întrerupe circuitul. Sondele Hall , pe de altă parte, sunt utilizate pentru a măsura puterea câmpului magnetic.

O altă utilizare simplă o constituie butoanele electrice acționate manual, uneori utilizate în echipamente electronice; prin apăsarea butonului un mic magnet este deplasat în corespondență cu senzorul Hall, care generează un impuls logic fără sări. Cele șapte butoane de pe consola computerului personal Olivetti P6060 erau de acest tip.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre efectul Hall

linkuri externe

( EN ) Hall Effect / Hall Effect (altă versiune) / Hall Effect (altă versiune) , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 32924 · LCCN (EN) sh85058452 · BNF (FR) cb122274976 (data) · BNE (ES) XX552709 (data) · NDL (EN, JA) 00.562.876

Portalul electromagnetismului : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de electromagnetism