Эффект холла в металлах: Ошибка 404: страница не найдена

Содержание

Эффект Холла

Описание сути явления

Возникновение разности потенциалов в проводнике с током под воздействием магнитного поля называют эффектом Холла.

Электропроводность металлов зависит от концентрации электронов проводимости (n) и их подвижности (b). Данные величины являются весьма важными характеристиками металла и определяются опытным путем. Так, для измерения концентрации электроном используют эффект Холла. Рассмотрим проводник в виде прямоугольной пластины, в которой течет ток плотности $\overrightarrow{j.}$ Эквипотенциальными поверхностями внутри этой пластины являются плоскости, перпендикулярные направлению тока, следовательно, разность потенциалов на рис.1 между точками (1 и 2) равна нулю.

Рис. 1

Если в металле создать магнитное поле, которое будет перпендикулярно току, то между точками 1 и 2 (рис.1) возникнет разность потенциалов, которая говорит о том, что при наличии магнитного поля эквипотенциальные поверхности в пластинке отклоняются от первоначального положения. В возникновении поперечной разности потенциалов заключается эффект Холла.

Сущность эффекта Холла

Эффект Холла является следствием существования силы Лоренца. На движущиеся в магнитном поле заряды действует сила Лоренца. Под ее действием электрон отклоняется от первоначального направления движения к одной из граней. В результате одна из граней проводника заряжается отрицательно, следовательно, другая становится положительно заряженной. Внутри металла появляется поперечное электрическое поле ($\overrightarrow{E_x}$).

Сущность этого явления заключена в том, что электропроводимость проводника во внешнем магнитном поле является тензорной величиной (не скаляром). Напряженность поперечного электрического поля, которое называют холловским, добавляется к напряженности электрического поля, которое вызывает ток в отсутствии магнитного поля. В результате $\overrightarrow{E}$ поля образует с плотностью тока угол, который называют углом Холла (направление вектора $\overrightarrow{E}$ и направление вектора $\overrightarrow{j\ }\ $ не совпадают). Связь напряжённости и плотности тока имеет вид:

Готовые работы на аналогичную тему

где ${\sigma }_{ik}$ — тензор электропроводимости. Эффект Холла относят к гальваномагнитным эффектам (эффектам, которые происходят в веществе под действие магнитного поля).

Эмпирически получено, что поперечная разность потенциалов (U), возникающая в эффекте Холла в слабых магнитных полях, может быть рассчитана как:

где $R=\frac{1}{nq_e}$- постоянная Холла, $q_e$ — заряд электрона. Разность потенциалов измеряется, остальные величины в формуле (1) известны. Так находится концентрация зарядов. По знаку разности потенциалов определяют знак носителей тока.

Значение и применение эффекта Холла

Результаты измерений показали, что в металлах ток происходит как движение отрицательных зарядов (электронов). Концентрация их изменяется в пределах равенства концентрации атомов. То есть на один атом вещества приходится, в среднем, один свободный электрон. У металлов концентрация атомов около $n\sim {10}^{28}м^{-3}.$

Эффект Холла наблюдается не только в металлах, но и например, в полупроводниках. Опыты по изучению эффекта Холла в разных веществах показали, что он не всегда является результатом движения отрицательных зарядов. Если измерение разности потенциалов в эффекте Холла показывает, что движутся положительные заряды, то такой эффект называют аномальным.

Эффект Холла используют создавая так называемые датчики Холла. Они используются для определения параметров магнитных полей, нахождения местоположения объектов.

Данный эффект используют для изучения энергетического спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках.

На эффекте Холла основано действие магнитных насосов для стимулирования циркуляции жидких металлов и других проводящих жидкостей и магнитодинамических генераторов энергии.

Для измерения постоянной Холла часто применяют компенсационный метод. Составляют цепь, которая изображена на рис.2. По пластинке А течет ток, к ней подведены два контакта 1 и 2.{-6}В.$

Пример 2

Задание: Получите выражение для постоянной Холла, считая, что проводник с током, помещен в магнитное поле. Следует допустить, что электрон движется равномерно.

Решение:

Сила Лоренца, которая действует на электрон в магнитном поле, движущийся со скорость $\overrightarrow{v}$ равна:

\[\overrightarrow{F}=q_e\overrightarrow{E}+q_e\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(2.1\right).\]

В равновесии $\overrightarrow{F}=0$ тогда можно записать, что:

\[q_e\overrightarrow{E}={-q}_e\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\to \overrightarrow{E}=-\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(2.2\right).\]

Плотность тока в проводнике можно выразить как:

\[\overrightarrow{j}=-q_en\overrightarrow{v}\left(2.3\right),\]

где $n$ — концентрация электронов. Из $\left(2.3\right)$ выразим скорость:

\[\overrightarrow{v}=-\frac{\overrightarrow{j}}{nq_e}\left(2.4\right).\]

Кроме того разность потенциалов между точками 1- 2 (рис.1) равна:

\[d\cdot \overrightarrow{E}=U\left(2.5\right).\]

Подставим в (2.5) выражение для напряженности (2.2) и скорость из (2.4), получим:

\[U=d\left[\frac{\overrightarrow{j}}{nq_e}\overrightarrow{B}\right]=\frac{d}{nq_e}\left[\overrightarrow{j}\overrightarrow{B}\right]\left(2.6\right).\]

Выражение для разности потенциалов в эффекте Холла имеет выражение:

\[U=RdjB\left(2.7\right).\]

Получаем, что постоянная Холла равна:

\[R=\frac{1}{nq_e}.\]

Ответ: $R=\frac{1}{nq_e}.$

Лабораторная работа № 405

Лабораторная работа № 405.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ТОКА В ПОЛУПРОВОДНИКЕ С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

 

Цель работы:   1) определение  постоянной Холла;

2) определение концентрации носителей заряда.

Приборы и принадлежности:  установка для изучения эффекта Холла, образец  (датчик Холла), источник питания образца, цифровые вольтметры.

 

1.      ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Более века тому назад (1879г.) американский физик Холл, поместив тонкую золотую пластинку в магнитное поле, обнаружил, что при протекании по ней электрического тока в направлении, поперечном вектору магнитной индукции и вектору плотности тока, появляется электрическое поле. Этот эффект впоследствии был назван эффектом Холла, а поперечное электрическое поле – полем Холла.

Эффект Холла непосредственно связан с подвижностью и концентрацией носителей заряда, а знак ЭДС Холла зависит от знака заряда. Поэтому эффект Холла широко применяется при исследовании электрических свойств различных материалов и для контроля качества полупроводниковых материалов, идущих на изготовление приборов.

Изучение температурной зависимости эффекта Холла дает важную информацию о механизмах рассеяния носителей заряда, о ширине запрещенной зоны материала и энергии ионизации различных примесей.

Весьма широкое применение эффект Холла находит в современной технике, являясь основой для создания приборов различного назначения: магнитометров, преобразователей постоянного тока в переменный и переменного в постоянный, усилителей постоянного и переменного тока, микрофонов, приборов автоматики и контроля, элементов вычислительной техники и многого другого.

Эффект Холла является прямой демонстрацией действия силы Лоренца на движущиеся электрические заряды.

Рассмотрим проводник (или полупроводник) в виде параллелепипеда шириной а и толщиной d, через который протекает электрический ток плотностью, как показано на рис.1. Предположим также, что в проводнике имеются носители заряда одного знака: либо электроны, либо дырки. Проведем рассмотрение электронного проводника. Выберем на гранях, параллельных току, точки А и D, лежащие на одной эквипотенциальной поверхности . Напряжение между этими точками Ux= 0.

Поместим проводник в магнитное поле, вектор индукции

 которого перпендикулярен направлению тока и боковым граням. Под действием силы Лоренца

электроны отклоняются к передней (по рисунку) грани образца, заряжая ее отрицательно. На противоположной грани образца накапливаются нескомпенсированные положительные заряды. Это приводит к появлению электрического поля  

 


Смещение и разделение зарядов будет продолжаться до тех пор, пока сила Лоренца не уравновесится силой  действующей на электроны со стороны поля Холла

Сила, действующая на электрон в условиях динамического равновесия, равна

или

Отсюда поле Холла

Результирующее электрическое поле

повернется при этом на угол Холла a, определяемый выражением

относительно вектора  Соответственно эквипотенциальные поверхности  и  тоже изменят свое положение, и точки А и

D в результате окажутся на разных эквипотенциальных поверхностях и между ними появится напряжение (ЭДС Холла):

Так как

и                      то есть         

то можно записать, что

и ЭДС Холла

где учтено, что

Величина  называется постоянной Холла. Знак постоянной Холла зависит от знака заряда и определяет направление поля Холла (рис.2). У электронных полупроводников (полупроводников

n-типа) R имеет отрицательный знак, у дырочных (полупроводников р-типа) – положительный.

 


Таким образом, определяя постоянную Холла и ее знак, можно определить концентрацию и знак носителей тока в полупроводнике.

Рассмотренная модель эффекта Холла применима для проводников (металлов) и вырожденных полупроводников, т.е. к проводникам, в которых имеются носители одного знака, обладающие одинаковой скоростью  В невырожденных полупроводниках скорость носителей подчиняется распределению Максвелла. Учет этого обстоятельства приводит к формуле

где А – постоянная, зависящая от механизма рассеяния носителей.

В полупроводниках со смешанной проводимостью перенос тока осуществляется одновременно электронами и дырками. Так как они обладают противоположными по знаку зарядами и под действием внешнего поля перемещаются в противоположные стороны, то сила Лоренца  отклоняет их в одну и ту же сторону. Поэтому при прочих равных условиях ЭДС Холла и постоянная Холла у таких проводников меньше, чем у проводников с одним типом  носителей. Расчет показывает, что для таких проводников

где n и р – концентрации электронов и дырок, mn и mр – их подвижности.

В зависимости от того, какое из слагаемых числителя больше, знак Холла может быть положительным или отрицательным. Для собственных полупроводников, у которых концентрации электронов и дырок одинаковы, знак постоянной Холла определяется знаком носителей, имеющих более высокую подвижность. Обычно такими носителями являются электроны. Поэтому в примесном дырочном полупроводнике (полупроводнике р-типа) при повышении температуры и переходе к собственной проводимости постоянная Холла проходит через нуль и меняет знак.

При измерении постоянной Холла и напряжения Холла следует иметь ввиду, что между холловскими электродами А и D имеется некоторая разность потенциалов Uо и в отсутствии магнитного поля  Эта разность потенциалов обусловлена асимметрией контактов (на практике очень трудно расположить их на одной эквипотенциальной поверхности, см. рис.3), и термоэдс, связанной с неизотермичностью образца. Для исключения влияния начальной разности потенциалов Uо на результаты измерения можно воспользоваться следующим методическим приемом.


При изменении направления магнитного поля на обратное знак ЭДС Холла Uх изменится, в то время как знак Uо остается прежним. При этом в зависимости от соотношения величин Uх и Uо возможны два подхода к определению Uх . Чаще встречается случай, когда  Тогда для различных направлений  (условно обозначенных ниже знаками + и — ) измеряемое напряжение U меняет свой знак, и можно записать:

                  

                

Вычитая из первого уравнения второе, получим

                                                                              (1)

Если Uх < Uо , тогда при различных направлениях  знак измеряемого напряжения не изменяется и можно записать

                  

                  

Вычитая из первого уравнения второе, получим

                                                                              (2)

2. ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ

Установка состоит из трех основных частей: 1) – электромагнит со схемой питания; 2) – схема питания датчика Холла; 3) – измерительная часть для определения знака и величины ЭДС Холла.


3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА

РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.      Включить источник питания электромагнита 4.

2.  Включить  источник  тока 3 через образец.  Ток, протекающий через образец   I = 35 мА.

3.  Провести измерения холловской разности потенциалов, меняя величину тока Iэ, текущего через электромагнит с шагом примерно 0,02 А в интервале от 0,02 до 0,12 А. Величина тока электромагнита регулируется лабораторным автотрансформатором, включенным в цепь питания электромагнита и измеряется цифровым вольтметром РА1, работающим в режиме измерения силы тока.

Измерения холловской разности потенциалов при каждом установленном значении тока I, выполнять при двух направлениях тока (одному направлению соответствует значение напряжения , другому — ). Направление тока изменяется переключателем S1, установленным на лицевой панели прибора. Результаты измерений  и  занести в таблицу.

 

Таблица результатов

 

 

п/п

 

IЭ

 

А

 

 

мВ

 

мВ

 

 мВ

 

В

 

Тл

 

R

 

м3/Кл

 

<R>

 

м3/Кл

 

n,

 

м3

%

 

%

1

2

3

4

5

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.  По формуле (1) или (2) рассчитать ЭДС Холла Uх  для каждого значения тока электромагнита Iэ. Если при смене направления тока  Iэ  знак противоположен знаку , то следует пользоваться формулой (1), в противном случае – формулой (2).

5.  По графику зависимости индукции магнитного поля от тока в обмотке электромагнита, имеющегося на рабочем столе, или по формуле

где а и b – коэффициенты, определить величину индукции магнитного поля В.

6.  Определить значение постоянной Холла по формуле

где  d = 5,0×10-5м, I = 35,0×10-3A.

7.  Определить среднее значение постоянной Холла.

8. Рассчитать концентрацию носителей тока на основании соотношения

   где   е = 1,6×10-19Кл.

9.      Определить погрешность постоянной Холла методом Стьюдента:

где  N – число измерений.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1.      Назвать основные части установки и объяснить их назначение.

2.  Объяснить, с какой целью в процессе измерений изменяется направление тока, текущего через электромагнит.

3.  Пояснить, как в работе определяется величина индукции магнитного поля?

4.  Привести порядок выполнения работы.

 

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1.      Дать определение эффекта Холла.

2.      Пояснить механизм возникновения ЭДС Холла в металлах.

3.      Вывести формулу для определения поля Холла и ЭДС Холла в металлах.

4.      Указать, от каких причин зависит постоянная Холла в металлах.

5. Объяснить, чем отличаются механизмы возникновения ЭДС Холла в металлах и полупроводниках?

6.  От каких величин зависит постоянная Холла в полупроводниках?

 

Рекомендуемая литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высш. шк, 2002. — 542 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн.5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: АСТ, 2001. - 368с.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. — М.: Высш. шк., 2002. — 718 с.

Электричество и магнетизм

В 1880 г. Э. Холл обнаружил, что в проводнике, помещенном в магнитное поле, возникает разность потенциалов в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции B и току I. Объясняется это действием силы Лоренца на заряды, движущиеся в проводнике.

 На рисунке 5.22 изображена пластина из проводника, которую пронизывает магнитное поле с индукцией B, направленное перпендикулярно чертежу от нас (обозначено крестиком).

Рис. 5.22. При фиксированном направлении тока сила Лоренца,
действующая на носители зарядов в образце, помещенном в магнитное поле,
имеет одно и то же направление независимо от знака заряда носителя

У отрицательных зарядов вектор скорости v и ток I направлены в противоположные стороны, для положительных зарядов направления скорости и тока совпадают. Применяя правило винта, находим, что сила Лоренца в обоих случаях направлена к верхней грани пластины. Следовательно, носители зарядов, независимо от знака их заряда, накапливаются на верхней грани пластины. 

Эффект Холла наблюдается у металлов и полупроводников. У металлов и полупроводников n-типа, где носителями зарядов являются электроны, на верхней грани пластины скапливаются избыточные отрицательные заряды, а нижняя грань заряжается положительно (рис. 5.23). У полупроводников p-типа, где носителями являются так называемые дырки, имеющие положительный заряд, верхняя грань заряжается положительно, а нижняя — отрицательно.

 

Рис. 5.23. Эффект Холла заключается в возникновении разности потенциалов UХ ,
между гранями проводящей пластины с током, помещенной в магнитное поле
(знаки зарядов показаны для металлической пластины)

Так как

то сила Лоренца равна

              

(5.24)

Заряды, скопившиеся на верхней и нижней границах пластины, создают электрическое поле напряженностью EX , которое в свою очередь воздействует на электрические заряды с силой

              

(5.25)

Когда устанавливается стационарное распределение зарядов в поперечном сечении проводника, эти две силы уравновешивают друг друга

то есть

откуда

                

(5.26)

Заметим, что здесь автоматически выполняется соотношение между скоростью зарядов и полями EX и B, с которым мы только что познакомились, обсуждая опыты Томсона по измерению удельного заряда электрона. При выполнении соотношения (5.26) заряд движется прямолинейно и равномерно в скрещенных электрическом и магнитном полях. 

Из формулы для величины плотности тока j = qnv находим скорость упорядоченного движения зарядов

                  

(5.27)

Таким образом, для напряженности поперечного (холловского) электрического поля получаем

                               

(5.28)

Следовательно, при расстоянии между гранями пластины d разность потенциалов между ними равна

                                   

(5.29)

где RX = 1/qn — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Холла. Плотность носителей зарядов (электронов) в металле n = 1028 м–3, откуда RX = 10–9 м3/Кл. Для наиболее распространенных полупроводников
RX = 0,1 м3/Кл.  

Эффект Холла — один из эффективных методов изучения свойств носителей зарядов в металлах и полупроводниках. На рис. 5.24 представлен опыт, в котором демонстрируется возникновение поперечной ЭДС при внесении полупроводника с током в магнитное поле, перпендикулярное току. Плоский полупроводниковый образец, закрепленный на держателе, вносится в поле постоянного магнита, и вольтметр фиксирует наличие ЭДС Холла. При переворачивании образца относительно поля знак ЭДС меняется на противоположный.

Рис. 5.24. Эффект Холла в полупроводнике 

 

Дополнительная информация 

http://electrik.info/main/fakty/97-yeffekt-xolla-i-datchiki-na-ego-osnove.html — эффект Холла и датчики на его основе;

http://www.explainthatstuff.com/hall-effect-sensors.html — эффект Холла,  практические применения;

http://www.radioland.net.ua/contentid-170-page1.html — Полупроводники p и n типа.

Эффект Холла. Виды и применения. Работа и особенности

В 1879 году американский физик Эдвин Холл провел эксперимент, пропустив магнитный поток через тонкую пластину из золота. В ходе эксперимента он обнаружил возникновение на краях пластины разности потенциалов, образовался эффект Холла.

Что такое эффект Холла

Если поместить в магнитное поле пластину-проводник или полупроводник под 90° к направлению силовых линий магнитного потока, электроны в пластине под действием силы Лоренца начнут смещаться по поперечине этой пластины. Направление смещения электронов зависит от направления силы тока и направления силовых линий магнитного потока. Иносказательно эффект Холла (ЭХ) – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.

Вот как это выглядит простейшим образом на примере. Представьте, что пластина расположена к нам торцом, а ее кромка смотрит вниз. Эта пластина сделана из металла, оба ее торца подключены к источнику питания, задний торец на минус, передний на плюс.

В нашем воображаемом случае электрический ток будет двигаться по направлению к нам, то есть в нашу сторону, откуда мы наблюдаем. Справа и слева от пластины мы видим два магнита. Магнит справа обращен к пластине северным полюсом, а тот что слева обращен к пластине южным полюсом. Таким образом, в нашем случае силовые линии магнитного поля идут справа налево, поскольку всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Силовые линии будут отклонять электроны, проходящие по пластине к ее верхней кромке.

Если мы поменяем направление тока в пластине, поменяв местами проводники, электроны начнут отклоняться вниз. Если мы не будем менять направление электрического тока, а поменяем полюса магнитов, электроны будут сдвигаться вниз. А поменять и то, и другое, сила Лоренца будет перемещать электроны вверх.

Итак, становится видно, что на одной из кромок нашей пластины под действием силы Лоренца копится отрицательный заряд, а на противоположной кромке – положительный. Наблюдается разность потенциалов между двумя кромками пластины, а другими словами – электрическое напряжение. Разность будет увеличиваться до тех пор, пока не уравновесит силу Лоренца. Разность потенциалов, возникающая конкретно в таких случаях, называется напряжением Холла и рассчитывается по формуле:

UХолл=−IB/et

Где I – сила тока, B – вектор магнитной индукции, e – заряд электрона, p – количество электронов в единице объема, t – толщина пластины.

Аномальный ЭХ

Бывают случаи, когда ЭХ обнаруживается в пластине без пропускания через нее магнитного потока. Это может происходить только тогда, когда нарушается симметрия по отношению к обращению времени в системе. В частности, аномальный ЭХ способен проявляться в намагниченных материалах.

Квантовый ЭХ

В двумерных газах, у которых среднее расстояние между частицами уменьшено до соизмеримых с длиной де Бройля на зависимости поперечного сопротивления к воздействию магнитного поля возникают плато сопротивления в поперечине. ЭХ квантуется только в сильных магнитных полях.

В магнитных потоках с еще большей силой индукции обнаруживается дробный квантовый ЭХ. Он взаимосвязан с перестроением внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый ЭХ

СЭХ можно наблюдать на не намагниченных проводниках, не помещенных в поле действия силовых линий магнита. Эффект заключается в отклонении электронов с антипараллельными спинами к противоположным краям пластины.

Применения

Эффект холла применяется для изучения особенностей полупроводников. С помощью него можно вычислить количество носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность. В частности, пользуясь эффектом Холла можно отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.

ЭХ послужил фундаментом для разработки датчиков Холла. Эта аппаратура измеряет напряженность магнитного поля. Такие датчики активно применяются для построения моторов со следящим приводом. В них они исполняют роль датчика обратной связи. Они измеряют угол поворота вала мотора.

Также датчики Холла устанавливаются в электростартерах ДВС, охлаждающие системы ПК, навигационных системах мобильных телефонов, применяются в измерительных приборах для вычисления количества заряда.

Похожие темы:

Коэффициенты Холла металлов — Энциклопедия по машиностроению XXL

КОЭФФИЦИЕНТЫ ХОЛЛА МЕТАЛЛОВ  [c.755]

Для компенсированных металлов (п, = п ) с замкнутыми ПФ (бериллий, молибден, вольфрам, полуметаллы) p.t.i ад (ол) oS- для всех направлений. Небольшая анизотропия, не зависящая от В, обусловлена несферичностью ПФ. Эффект Холла (и соответственно коэффициент Холла ) — сложная функция S, Г и ориентации кристалла.  [c.738]

Эффект Холла. (Основные теоретические и экспериментальные данные об эффекте Холла представлены в [7]. Коэффициент Холла R в металлах может быть поло-  [c.738]


КОЭФФИЦИЕНТЫ ХОЛЛА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ  [c.760]

В табл. 30.7 и 30.8 и на рис. 30.70—30.76 приведены данные о коэффициенте Холла ферромагнетиков п редкоземельных металлов.  [c.760]

Этот результат замечателен тем, что коэффициент Холла оказывается независящим от каких-либо параметров, за исключением концентрации носителей тока. Очевиден способ проверки для этого необходимо провести измерения ЭДС Холла Еу в зависимости от магнитного поля. Проведенные весьма тщательные измерения на особо чистых веществах при низких температурах показали, что найденные из эксперимента величины п для щелочных (одновалентных) металлов близки к 1 (электрон на атом) благородных металлов (также одновалентных) к 1,3 1,5 двухвалентных Be и Mg -0,2- —0,4, трехвалентных А1 и In —0,3.  [c.44]
Измерения коэффициента Холла и измерение оптической отражательной способности доказывают, что электроны свободны или приблизительно подчиняются теории Друде, даже в тех жидких металлах (Bi, Sb, Ga, Ge и т. д.), в которых дифракционные исследования обнаруживают определенную долю неметаллической связи и поэтому присутствие несвободных электронов (см. раздел 1). Все же у некоторых металлов имеются небольшие отклонения от поведения действительно свободных электронов. В настоящее время невозможно решить, результат ли это ошибок прямых измерений ошибок измерения атомных объемов, используемых в теории для вычисления характеристик свободных электронов нечувствительности теории или действительного отклонения электронов от поведения свободного электронного газа. Ограниченное число измерений сдвига Найта косвенно указывает, что электроны ведут себя как несвободные, не вызывая изменений в сдвиге и, следовательно, в электронных состояниях после плавления. Измерения магнитной восприимчивости по разным причинам не способны подтвердить этого, но обычно вместе с электросопротивлением и эффектом Холла показывают существенное изменение после плавления при образовании свободного электронного газа. Это наводит на мысль (что не соответствует данным по сдвигу Найта), что плотность состояний после плавления значительно изменяется, хотя дело не доходит до положения абсолютно свободных электронов. Сообща-  [c.142]

Коэффициенты Холла для металлов и сплавов. …………..  [c.5]

Опыт показывает, что коэффициент Холла R может быть положительным и отрицательным и даже менять знак с изменением температуры. Для большинства металлов наблюдается почти полная независимость коэффициентов Холла от температуры. Резко аномальным эффектом Холла обладают висмут и другие металлы V группы периодической системы. Значения гальваномагнитных коэффициентов этих металлов помещены в отдельную таблицу (табл. 26.7).  [c.468]

КОЭФФИЦИЕНТЫ ХОЛЛА ДЛЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ  [c.470]

Коэффициенты Холла для жидких металлов и сплавов  [c.472]

Коэффициент Холла для жидких металлов найден и хорошо изображается формулой  [c.71]

Классические эксперименты для твердого состояния, дающие сведения о поверхности Ферми (эффект де Гааза-ван-Альфена и Др.), к сожалению, неприменимы для жидкостей, так как средний пробег свободных электронов в них слишком мал. В гл. VI были рассмотрены явления переноса при постоянном токе, в частности удельное сопротивление и термо-э. д. с., которые, вероятно, зависят не от истинной плотности состояний п Е) в жидких металлах, а от плотности состояний свободных электронов По Е). Однако Мотт [75] доказал, что если п Е) очень мало, то соответствие теории практике должно быть полным, что имеет место, возможно, для жидкой ртути. Более того, доказательства, полученные опытным путем с помощью коэффициента Холла, показывают, что поведение электронов в жидкости подобно  [c.94]

В последних трех вариантах выравнивалось распределение плотности тока в стыке деталей. Воздействие магнитным полем не дало удовлетворительных результатов, очевидно, из-за небольшой величины коэффициента Холла для нержавеющей стали, Вероятно, этот метод можно применить лишь при больших напряженностях магнитного поля и для металлов с достаточной величиной коэффициента Холла (этот вариант испытывали на моделях).  [c.137]

До 1960—1965 гг. публикуемые результаты измерений коэффициента Холла жидкостей с электронной проводимостью, главным образом жидких металлов, имели сомнительную надежность  [c.35]

Интересным результатом более поздних работ по жидким металлам было установление того факта, что для большого числа чистых жидких металлов точно выполняется теоретическая формула для коэффициента Холла полученная в модели свободных электронов  [c.36]


Чистые полупроводники ) можно разбить на два класса в одном из них проводимость обусловлена свободными электронами, а в другом дырками . Различить эти два класса экспериментально можно по знаку коэффициента Холла первый класс имеет нормальный знак, т. е. такой же, как у щелочных металлов и висмута, а второй — об-  [c.484]

Наблюдаемые значения коэффициента Холла для некоторых металлов приведены в табл. 8.3 там же для сравнения приведены значения, вычисленные непосредственно по концентрации носителей заряда. Наиболее точные измерения проведены на чистых образцах при низких температурах в сильных магнитных полях методом спирального резонанса (см. задачу 8.7).  [c.303]

Однако невозможно допустить, что в одних металлах свободные носители — позитроны, а в других — электроны. В следующей главе мы узнаем, что теория энергетических зон позволяет описать движение электронов в некоторых обстоятельствах так, как если бы они были наделены положительным зарядом. Орбиты таких электронов называют дырочными орбитами. Мы сможем также объяснить большие значения коэффициента Холла в полуметаллах (таких как Аз, 5Ь, В1) и в полупроводниках.  [c.303]

Для простого металла коэффициент Холла имеет вид  [c.398]

Следует обратить внимание на то, что, поскольку поле Холла направлено против оси у (фиг. 1.3), коэффициент Ец должен быть отрицательным. С другой стороны, если бы заряд носителей был положительным, знак их а -компоненты скорости был бы обратным и сила Лоренца осталась бы неизменной. В результате поле Холла имело бы направление, противоположное тому, которое оно имеет при отрицательно заряженных носителях. Этот вывод очень важен, поскольку он означает, что измерения поля Холла позволяют определить знак носителей заряда. Экспериментальные данные, впервые полученные Холлом, находились в согласии со знаком заряда электрона, определенным позднее Томсоном. Одна из замечательных особенностей эффекта Холла заключается, однако, в том, что в некоторых металлах коэффициент Холла положителен, и поэтому носители в них должны, видимо, иметь заряд, противоположный заряду электрона. Это еще одна загадка, решение которой должна дать полная квантовомеханическая теория твердого тела. В настоящей главе дан лишь простой анализ в рамках модели Друде хотя он и не способен объяснить существование положительных коэффициентов Холла, он часто находится в довольно хорошем согласии с экспериментом.  [c.28]

Это поразительный результат согласно ему, коэффициент Холла не зависит ни от каких параметров металла, кроме плотности носителей. Выше мы уже вычисляли п, предполагая, что валентные электроны атома в металле превращаются в электроны проводимости. Измерение коэффициента Холла дает прямой способ проверки справедливости такого предположения.  [c.29]

При попытках определить плотность электронов п, используя результаты измерений коэффициентов Холла, возникает трудность, связанная с тем, что в действительности в противоречие с формулой (1.21) эти коэффициенты обычно зависят от магнитного поля. Кроме того, они зависят от температуры и от того, насколько тщательно приготовлен образец. Это кажется довольно странным, поскольку время релаксации, которое может сильно зависеть от температуры и состояния образца, в (1.21) не фигурирует. Тем не менее при самых низких температурах для очень чистых, тщательно приготовленных образцов в чрезвычайно сильных полях измеряемые значения постоянной Холла, по-видимому, действительно стремятся к некоторому пределу. Согласно более сложной теории, излагаемой в гл. 12 и 13, для многих (но не всех) металлов такие предельные значения точно определяются простым выражением (1.21), получаемым в модели Друде.  [c.29]

Коэффициенты Холла для некоторых металлов в сильных и промежуточных полях приведены в табл. 1.4. Обратите внимание на наличие положительных значений / я, что, очевидно, соответствует положительно заряженным носителям. Поразительный пример наблюдаемой зависимости от поля, которая совершенно не объясняется теорией Друде, изображен на фиг. 1.4.  [c.29]

Коэффициенты Холла некоторых металлов для полей от промежуточного до сильного  [c.30]

Расхождение устраняется при использовании квантовой статистической механики. Однако в некоторых металлах сам знак термо-э. д. с., т. е. направление термоэлектродвижущего поля, противоположен предсказываемому моделью Друде. Это такая же загадка, как и расхождение в знаке коэффициента Холла. Квантовая теория твердого тела может объяснить также и обращение знака термо-э. д. с., но в данном случае ее триумф оказывается довольно скромным, ибо подлинная количественная теория термоэлектрического поля до сих пор еще не создана. При последующем обсуждении мы отметим некоторые особенности этого явления, которые делают чрезвычайно трудным его точный расчет.  [c.40]

С помощью данных по измерению коэффициентов Холла можно получить более ценную информацию. Значения коэффициента Холла, приведенные в приложении XIV по литературным данным, к удивлению показывают, что многие жидкие металлы по своему поведению приближаются к ярко выраженному случаю газа свободных электронов N е R=—1). Учитывая крайнюю трудность при выполнении точных измерений коэффициента Холла, можно сказать, что данные различных источников совпадают очень хорошо. Поведение, соответствующее состоянию почти свободных электронов таких металлов, как галлий, германий и олово, к удивлению, учитывает и воз-  [c.138]

Бюккель сообщил [438], что очень тонкие пленки галлия и висмута с сильно разупорядоченной структурой имеют коэффициент Холла, соответствующий свободным электронам нагревание, которое изменяет структуру пленок до структуры нормального твердого состояния, изменяет также и R яо значения, нормального для кристаллического твердого тела. Кажется, что поведение жидких металлов, соответствующее случаю свободных электронов, характерно для неупорядоченного коллектива одноименных атомов и может быть нечувствительным к некоторой степени ближнего порядка и к наличию связей, содержащих связанные электроны.  [c.140]


В процессе очистки германия фракционированной кристаллизацией и получения монокристаллического германия качество металла контролируют физическими методами. Обычно контролируют следующие свойства Ч тип проводимости, удельное сопротивление и время жизни нёосновных носителей зарядов, обусловленное рекомбинацией электронов и дырок в объеме полупроводника. Кроме того, для определения подвижности носителей зарядов определяют коэффициент Холла.  [c.407]

Спиральные волны. В чистых металлах при низких температурах обнаруживается необычное распространение электромагнитных волн. Эти так называемые спиральные волны впервые наблюдались Бауэрсом (R. Bowers) и его сотрудниками они же предложили использовать их для измерения коэффициентов Холла. Пусть постоянное внешнее магнитное поле Ва приложено в направлении оси г. При частотах со [c.305]


Аномальный экситонный эффект Холла | Новый физтех. Университет ИТМО

Они назвали его аномальным экситонным эффектом Холла. Эффект возникает при воздействии лазера на пластину полупроводника в присутствии магнитного поля. В будущем это явление может оказаться полезным для изучения квазичастиц экситонов. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Иллюстрация из статьи. Источник: journals.aps.org

Есть сравнительно простой физический эксперимент, который можно провести в домашних условиях. Понадобится всего пять компонентов: небольшая металлическая пластинка, обычная батарейка, магнит, пара проводов и вольтметр. Все это можно найти в школьном наборе радиолюбителя.

Пластинку надо подключить к батарейке, а ее торцы к вольтметру. Стрелка измерительного устройства останется на нуле, поскольку ток по металлу будет идти в продольном направлении, но напряжения в поперечном направлении не возникнет. Однако если к пластинке поднести магнит, то показания прибора начнут расти. Это явление называется эффектом Холла. 

«Его впервые обнаружил выдающийся ученый Эдвин Холл в 1879 году, — рассказывает аспирант Нового Физтеха Университета ИТМО Валерий Козин. — Объяснение эффекта довольно простое. Магнитное поле действует на движущиеся под воздействием электрического тока электроны. Если магнитное поле будет воздействовать перпендикулярно к движению электронов, то они будут отклоняться к одному из торцов нашей пластины. Предположим, с правого торца электронов станет больше, с левого — меньше. Таким образом, одна сторона пластины накопит отрицательный заряд, а другая — положительный, что и приведет к возникновению напряжения, которое зафиксирует прибор».  

Магнитное поле. Источник: shutterstock.com

Эффект, открытый полтора века назад, широко применяется до сих пор. С его помощью создают детекторы для обнаружения магнитного поля, которые также называют датчиками Холла. В частности, такие устройства используются в смартфонах. Благодаря ним мы можем лучше ориентироваться на местности.  

«Наша Земля является огромным источником магнитного поля, благодаря этому работает компас, — продолжает Валерий Козин. — Настоящий компас в телефон не поставишь, но если у вас есть датчик Холла, то вам это и не нужно. Он будет фиксировать изменение угла воздействия магнитного поля Земли и передавать данные в телефон. Именно благодаря этому, когда мы заходим в Яндекс.Карты на телефоне, мы видим, куда направлен наш гаджет». 

Как из дырки сделать «атом»

В физике многие явления описываются по аналогии. Различные эффекты из разных областей науки описываются сходными уравнениями и подчиняются одним и тем же законам. Что если нечто похожее на эффект Холла можно найти в поведении других частиц? Ученым Университета ИТМО удалось обнаружить подобное явление, только касается оно не электронов, а квазичастиц экситонов. 

Эти объекты образуются в полупроводниках, таких как арсенид галлия, который используется в транзисторах, светодиодах и солнечных батареях. Как и у всех полупроводников, у этого материала есть так называемая запрещенная зона, то есть то количество энергии, которое необходимо в него «вкачать», чтобы арсенид галлия стал проводить электричество при абсолютном нуле температуры. Проводимость возникает за счет того, что электрон из внешней, так называемой валентной, зоны переходит дальше, в зону проводимости. Этот переход и осуществляется за счет внешнего потока энергии.

Экситон. Источник: wikipedia.org

«Такого рода энергии лежат в области видимого диапазона света, иными словами, нужно просто посвятить на кристалл лучом лазера или даже фонариком, и вы сможете переместить электрон в зону проводимости. При этом на его месте образуется вакансия, которая называется «дыркой»», — объясняет Валерий Козин.

Эти дырки на языке уравнений ведут себя как положительно заряженные частицы. Вокруг них имеются отрицательно заряженные электроны, к которым они могут притягиваться. В результате электрон может начать вращаться вокруг дырки, образуя некое подобие атома водорода, где в центре находится один положительно заряженный протон, а вокруг него перемещается электрон. 

«Получается, что эта дырка может играть роль ядра, чтобы сформировать с электроном «атом». Такого рода «атомы» называются экситонами. Эти квазичастицы очень похожи на атомы, подчиняются тем же законам, уравнениям, это полноценные аналоги атомов водорода», — добавляет Валерий Козин.

Аномальный эффект

Иллюстрация из статьи. Источник: journals.aps.org

В частности, из экситонов можно получать газ. Если ударить по листу полупроводника лазерным лучом, то в нем образуется облачко из этих квазичастиц. Рассматривая такой процесс, физики Университета ИТМО и обнаружили (в теории) новый эффект, который назвали аномальным экситонным эффектом Холла. 

Если взять тонкую полоску полупроводникового материала и воздействовать на нее лазерным пучком под углом 90 градусов с достаточной мощностью, то образуется газ из экситонов, который будет расходиться в разные стороны. Однако если угол сделать чуть острее, то ситуация изменится — газ будет идти направленным облаком, где ученым будет легко его «поймать». Здесь также играет роль, что в полупроводниках обычно имеются различные примеси, частицы которых также имеют заряд. Наличие таких примесей и определяет основные свойства полупроводниковых приборов.

«Теперь, если к нашей пленке полупроводника приложить перпендикулярное магнитное поле, то облачко экситонов, рассеиваясь на примесях, будет отклоняться в какую-то сторону. Полный аналог эффекта Холла: у нас есть поток частиц, в нашем случае экситонов, мы включаем перпендикулярное магнитное поле и этот поток частиц отклоняется к краю образца», — говорит Валерий Козин.

Предложенный эффект имеет фундаментальное отличие от классического эффекта Холла, ведь экситоны электрически нейтральны, в то время как электроны имеют отрицательный заряд.

Валерий Козин признается, что пока открытый учеными эффект вряд ли найдет столь широкое применение в быту, как классический эффект Холла. Однако он отмечает, что это явление может иметь большое значение для ученых, которые изучают экситоны. В частности, это позволяет разделять светлые и темные экситоны.

Валерий Козин. Фото из личного архива

Дело в том, что часть экситонов схлопываются, когда электрон возвращается на свое место, при этом выделяя свет. Такие квазичастицы называются светлыми. Другие экситоны прекращают свое существование без выделения света и называются темными. Изучать их сложнее, тем более, что получить группу именно темных экситонов тяжело, ведь «рождаются» оба вида квазичастиц вместе. Однако открытый эффект действует на них по-разному.     

«Оказывается можно эффективно отделять светлые экситоны от темных. Если вы рождаете облачко, которое состоит как из темных, так и из светлых экситонов, оно натыкается на частицы примесей и отклоняется на какой-то угол, начиная лететь к одному из краев образца. Для темных и светлых экситонов отклонения будут разные, и соответственно, можно их изначально разделять на два облачка: светлых и темных экситонов. То есть можно получить чистый темный экситонный газ. Зачем это нам надо? С помощью экситонов можно изучать удивительные состояния материи, которые очень сложно получать с помощью обычных атомов, например, Бозе-Эйнштейновский конденсат», — заключает Валерий Козин.

Константин Крылов

Журналист

Эффект Холла в примесных полупроводниках.

S E. j J V _. J b

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 66 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА 1. Цель работы Целью работы является изучение эффекта Холла в полупроводниках, определение коэффициента Холла, концентрации и подвижности носителей тока.

Подробнее

Работа 8. Эффект Холла

Работа 8. Эффект Холла Цель работы: Изучение теории эффекта Холла в сильных и слабых магнитных полях в примесных и собственных полупроводниках Выполняются упражнения: 8а Измерение при комнатной температуре

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5.16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5.6 ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Цель работы: исследование зависимости ЭДС Холла в полупроводниках от индукции магнитного поля. Определение концентрации и подвижности основных

Подробнее

Лабораторная работа 2.21 ЭФФЕКТ ХОЛЛА

Лабораторная работа 2.2 ЭФФЕКТ ХОЛЛА Цель работы: изучение эффекта Холла в полупроводниках. Задание: измерить зависимости холловской разности потенциалов от индукции магнитного поля и величины тока, протекающего

Подробнее

ЭФФЕКТ ХОЛЛА В ПРИМЕСНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.03 ЭФФЕКТ ХОЛЛА В ПРИМЕСНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ ЦЕЛИ РАБОТЫ 1. Измерение вольт — амперной характеристики (ВАХ) полупроводникового образца с примесной проводимостью 2. Измерение зависимости

Подробнее

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА

Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Кафедра физики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.9 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Подробнее

11. ПОЛУПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

11 ПОЛУПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ Неметаллы отличаются от проводников наличием зоны запрещенных энергий g для электронов Структуры энергетических зон собственного полупроводника приведены на рис14 Состояния,

Подробнее

Изучение работы p-n перехода

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЛ техники эксперимента МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ ПО КУРСУ «ФИЗИКА» www.rib.ru e-mail: [email protected] 010804. Изучение работы —

Подробнее

3.15. Электропроводность в магнитном поле.

3.5. Электропроводность в магнитном поле. 3.5..Классический эффект Холла (879 г.). Когда металлическая пластинка, вдоль которой течет постоянный ток, помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно

Подробнее

АЛЕКСЕЕВА Лариса Ивановна

АЛЕКСЕЕВА Лариса Ивановна Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Эффект Холла в полупроводниках Методические рекомендации.

Подробнее

3.15. Электропроводность в магнитном поле.

1 3.15. Электропроводность в магнитном поле. v 3.15.1.Классический эффект Холла (1879 г.). Когда металлическая пластинка, вдоль которой течет постоянный ток, помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно

Подробнее

Лабораторная работа 12*

Лабораторная работа 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ Цель работы найти и построить эквипотенциальные поверхности и силовые линии электрического поля между двумя электродами произвольной формы; определить

Подробнее

Лабораторная работа 19

Лабораторная работа 19 ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОРЕЗИСТОРА Цель работы: экспериментально исследовать вольтамперную, световую и спектральную характеристики фотосопротивления.

Подробнее

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 53 3943 Ф 503 ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ Методические

Подробнее

Эффект Холла в полупроводниках р- и п- типа.

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Факультет «Фундаментальные науки» Кафедра

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 Электропроводность полупроводниковых материалов Цель работы Изучение стандартных методов определения удельной электрической проводимости полупроводниковых материалов при различных

Подробнее

ee m 2 ρ 2 2m U R x = R A. (5) I

Методические указания к выполнению лабораторной работы.1.7 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Аникин А.И., Фролова Л.Н. Электрическое сопротивление металлов: Методические указания к выполнению лабораторной

Подробнее

Исследование характеристик фоторезистора

Работа 42 Исследование характеристик фоторезистора Цель работы Ознакомиться с принципом действия фоторезистора и исследовать его вольт-амперные, световые и спектральную характеристики, оценить ширину запрещенной

Подробнее

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

Кафедра экспериментальной физики СПбГПУ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 202 ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА И ПОЛУПРОВОДНИКА ЦЕЛЬ РАБОТЫ Определение температурного коэффициента сопротивления

Подробнее

Исследовательские задачи по физике

Л. В. Забело, учитель физики высшей категории гимназии 3 г. Минска Исследовательские задачи по физике Задача 1. Пылинка массой m =.5 г. Имеет заряд q = 5.0 Кл. Определите напряженность вертикального однородного

Подробнее

Лекция 4. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 1

Лекция 4. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Характеристики тока. Сила и плотность тока. Падение потенциала вдоль проводника с током. Всякое упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. Носителями

Подробнее

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И

Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Радиофизический факультет Кафедра электроники Отчет по лабораторной работе: ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ

Подробнее

Определение электропроводности древесины

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) 8 Определение электропроводности

Подробнее

Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

21 Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора 3. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов 3. Мощные биполярные транзисторы 4. Выводы 1. Устройство

Подробнее

Физика твердого тела

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Подробнее

Фотоиндуцированный эффект Холла в металлах

Для демонстрации этого эффекта были нанесены три металлические пленки: платина (Pt), золото (Au) и алюминий (Al) толщиной т  = 3 нм на 1 × 1 см 2 нелегированные (100) кремниевые (Si) кубики. Эти металлы были выбраны, потому что они постепенно снижают более низкие рабочие функции ( Φ pt = 5,9 эВ, φ Au = 5,5 эВ и Φ Al = 4,20 эВ) 6 . В то время как Pt и Au имеют работу выхода больше, чем у Si ( ϕ Si  = 4.6 эВ), что способствует образованию барьеров Шоттки, работа выхода Al ниже, чем у Si, поэтому Al склонен образовывать омические контакты с Si. В качестве эталонов использовали краситель Si и образец, состоящий из Pt той же толщины, нанесенной на изолирующий сапфир (α-Al 2 O 3 ). Магнитное поле создавалось с помощью электромагнита. Напряжение измеряли, соединяя середины двух противоположных краев металлической пленки с вольтметром. Использовался источник света, состоящий из лампы накаливания и ручного затвора.Лампа накаливания излучала неполяризованный свет, что исключает возможный вклад в наши измерения спин-инжекционного эффекта Холла и фотоэлектрических эффектов Холла 7,8 . Свет имел измеренный спектр, охватывающий весь и только видимый диапазон от λ  = 450 нм (фиолетовый) до λ  = 750 нм (красный).

Следует понимать, что ультратонкие металлические пленки очень прозрачны для света 9 . Глубина проникновения света зависит от длины волны: δ  = √( ρλ μc ), где ρ — удельное сопротивление металла, λ — длина волны, c — скорость света в вакуум и мк — магнитная проницаемость.Например, для нашего PT, с таким измеренным удельным сопротивлением ρ pt = 2,1 × 10 -6 Ω m, -6 = 2,8 нм для λ = 450 нм (фиолетовый) и δ  = 3,6 нм для λ  = 750 нм (красный). Следовательно, видимый свет может достичь границы раздела для пленки Pt t  = 3 нм. Точно так же сопротивление пленки размером l  = w = 1 см  R  =  ρl / wt ~ 1 кОм. Поэтому между его краями может приходиться значительная разность потенциалов.

На рисунке 2 показано напряжение в зависимости от времени , возникающее при воздействии на образцы света интенсивностью I  = 1 Вт и магнитного поля B  = 0,5 Тл. Видно, что при использовании красителя Si напряжение не появляется. , что исключает, что эффект обусловлен фотоэффектом Холла в полупроводнике 2 . Аналогично, на чипе Pt/сапфир не было обнаружено сигнала, что исключает возможность возникновения напряжения за счет возбуждения электронов в Pt. Видно также, что эффект уменьшается с уменьшением работы выхода, что свидетельствует о том, что установление барьера Шоттки является необходимым условием существования эффекта и что свет поглощается в слое пространственного заряда перехода.

Рисунок 2

Фотовозбуждение поперечного электрического поля в перпендикулярном магнитном поле. Напряжение по сравнению со временем , полученное при воздействии на образцы света интенсивностью I  = 1 Вт и B  = 0,5 Тл. На верхней правой вставке показан спектр света.

Для Pt и Au эффект оказался строго линейным как в зависимости от напряженности магнитного поля, так и интенсивности света. На рис. 3А мы показываем обнаруженное напряжение как функцию напряженности поля для различной интенсивности света.Напряжение было пропорционально напряженности магнитного поля до максимальных значений, которые мы можем применить с нашим электромагнитом (~ 0,8   Тл). Точно так же на рис. 3B напряжение линейно увеличивалось с интенсивностью света для фиксированных значений магнитного поля. Чтобы понять, вызвано ли влияние магнитными силами на заряды, диффундирующие в направлении z , мы измерили напряжение как функцию угла θ между полем и направлением напряжения, вращая держатель образца в x-y плоскость (рис.врезку 3В). Как и ожидалось, напряжение показало синусоидальную зависимость с θ .

Рисунок 3

Фотоиндуцированный эффект Холла в платине и его происхождение. ( A ) Напряжение против магнитного поля при постоянной интенсивности света для чипа Pt/Si. Нижняя правая вставка показывает настройку измерения. ( B ) Напряжение против силы света при постоянном магнитном поле того же образца. На врезке в верхнем левом углу показано нормализованное напряжение по сравнению с углом в плоскости при фиксированной напряженности поля и интенсивности света; ( C ) Вольт-амперные характеристики интерфейса Pt/Si в темноте и на свету.Кривые рассеяния показывают те же характеристики, когда магнитное поле приложено в плоскости образца. Вставка показывает конфигурацию измерения; ( D ) Эскиз фотоиндуцированного возбуждения зарядов и опускания барьера за счет сил изображения. В би — теоретически рассчитанный встроенный потенциал.

Si имеет запрещенную зону E г  = 1,1 эВ, что соответствует длине волны λ = 1127 нм, и поэтому может поглощать свет в видимом диапазоне.Тем не менее, заряд, фотовозбужденный в кремнии и просто диффундирующий в металл, будет создавать поперечное напряжение холостого хода независимо от используемого металла. Кроме того, это напряжение должно быть очень малым, потому что таков эффект Холла в металле. Чтобы понять, почему эффект проявляется только при использовании металла с высокой работой выхода, мы нанесли Pt на пластину Si после маскирования части чипа теневой маской (см. рис. 3C). Ток-напряжение ( I S / В С ) на границе раздела Pt/Si измеряли, помещая электрический контакт на Si как можно ближе к краю Pt.Несмотря на то, что зазор d между краем Pt и контактом с нелегированным Si обеспечивает значительное последовательное сопротивление, что затрудняет оценку встроенного электрического поля, можно хорошо оценить, что Pt образует контакт Шоттки к полупроводнику. I S С Было обнаружено, что сильно зависит от света и не зависит от магнитного поля. С другой стороны, магнитное поле не может изменить распределение заряда в плоскости x-y ни в области пространственного заряда, ни в полупроводнике, потому что магнитные силы действуют только на движущиеся заряды в направлении z для плоскости. поле.

Удивительно, но свет не дает ни жесткого переключения на пониженную передачу I S С по оси тока, как в фотодиоде, или жесткое смещение по оси напряжения, что указывало бы на сдвиг уровней Ферми, эквивалентный приложению внешнего электрического поля, а скорее на увеличение как прямого и обратный ток, как будто свет понижал высоту барьера, тем самым переводя контакт из Шоттки в квазиомический (см.3С). Снижение высоты барьера контакта Шоттки или, что то же самое, необычное увеличение тока утечки при обратном смещении хорошо объяснялось и моделировалось теорией сил изображения 10 .

Эффект Холла — MagLab

Когда магнитное поле прикладывается перпендикулярно потоку тока, это поле вызывает сопротивление току. Это сила Лоренца в действии, и ее можно хорошо наблюдать в эффекте Холла.

Магнитные поля воздействуют на электрические токи.Когда магнитное поле приложено перпендикулярно потоку тока, поле вызывает сопротивление тока. Это проявление силы Лоренца, которая толкает отрицательно заряженные электроны в токе в направлении, определяемом правилом левой руки. Это движение электронов приводит к слабой, но измеримой разности потенциалов или напряжению , перпендикулярному как протеканию тока, так и приложенному магнитному полю. Это известно как эффект Холла , названный в честь американского физика Эдвина Холла, открывшего это явление в 1879 году.Этот эффект особенно заметен в тонких металлах, и его легко наблюдать в плазме низкой плотности (электропроводный ионизированный газ), такой как флуоресцентный свет, как в этом руководстве.

Концы трубки на эффекте Холла (вакуум со следами газа неона) подключены к батарее . Меньшая трубка пересекается с большей трубкой; к его концам прикреплены электроды, которые подключены к вольтметру для определения напряжения. Обратите внимание, что неон в трубке флуоресцирует (излучает свет) из-за возбуждения электрического тока, подаваемого от батареи.Этот ток отражается в потоке электронов , изображенных здесь в виде маленьких желтых частиц. Отрегулируйте ползунок положения магнита , чтобы переместить сильный постоянный магнит ближе к трубке на эффекте Холла. Проверьте вольтметр; Эффект Холла вызывает напряжение Холла , перпендикулярное основному току. Наблюдайте, как поток электронов реагирует на магнитное поле. Поэкспериментируйте с синими кнопками Flip Magnet и Flip Battery , чтобы увидеть, как это влияет на разность потенциалов.Нажав на поле Field Lines , вы увидите невидимые магнитные силы в действии и поможете вам визуализировать это.

Аналогичный эффект наблюдается в полупроводниках, где эффект Холла играет большую роль при разработке интегральных схем на полупроводниковых кристаллах. В большинстве проводников, таких как металлы, эффект Холла очень мал, потому что плотность проводимости электронов очень велика, а скорость дрейфа (эрратизм заряженных частиц) чрезвычайно мала даже при максимально достижимых плотностях тока.Поэтому эффект Холла считается неважным в большинстве электрических цепей и устройств и не упоминается во многих текстах по электричеству и магнетизму. Однако в полупроводниках и в большинстве лабораторных плазм плотность тока на много порядков меньше, чем в металлах, а эффект Холла соответственно больше и часто легко наблюдаем. Некоторые устройства для измерения магнитных полей используют полупроводники в качестве чувствительных элементов и называются датчиками Холла .

Принцип, вывод и его применение

Эффект Холла

был введен американским физиком Эдвином Х.Холл в 1879 году. Он основан на измерении электромагнитного поля. Его также называют обычным эффектом Холла. Когда проводник с током перпендикулярен магнитному полю, генерируемое напряжение измеряется под прямым углом к ​​пути тока. Течение тока аналогично течению жидкости в трубе. Сначала он был применен в классификации химических образцов. Во-вторых, он был применим в датчике на эффекте Холла, где он использовался для измерения постоянных полей магнита, когда датчик оставался неподвижным.


Принцип эффекта Холла

Эффект Холла определяется как разница в напряжении, генерируемом на проводнике с током, поперечном электрическому току в проводнике и приложенном магнитном поле, перпендикулярном току.

Эффект Холла = наведенное электрическое поле / плотность тока * приложенное магнитное поле –(1)

эффект Холла

Теория эффекта Холла

Электрический ток определяется как поток заряженных частиц в проводящей среде.Текущие заряды могут быть отрицательно заряженными — электроны «e-» / положительно заряженными — дырками «+».

Пример

Рассмотрим тонкую проводящую пластину длиной L и соединим оба конца пластины с батареей. Где один конец соединен с положительным концом батареи с одним концом пластины, а другой конец соединен с отрицательным концом батареи с другим концом пластины. Теперь мы наблюдаем, что ток начинает течь от отрицательного заряда к положительному концу пластины.Благодаря этому движению создается магнитное поле.

теория эффекта Холла

Сила Лоренца

Например, если мы поместим магнитный стержень рядом с проводником, магнитное поле будет возмущать магнитное поле носителей заряда. Эта сила, которая искажает направление носителей заряда, известна как сила Лоренца.

Благодаря этому электроны будут двигаться к одному концу пластины, а дырки — к другому концу пластины. Здесь напряжение Холла измеряется между двумя сторонами пластин с помощью мультиметра.Этот эффект также известен как эффект Холла. Где ток прямо пропорционален отклоненным электронам, в свою очередь пропорционален разности потенциалов между обеими пластинами.

Чем больше ток, тем больше отклоненные электроны и, следовательно, мы можем наблюдать большую разность потенциалов между пластинами.

Напряжение Холла прямо пропорционально электрическому току и приложенному магнитному полю.

VH = I B / q n d — ( 2 )

I – ток, протекающий в датчике
B – напряженность магнитного поля
q – заряд
n – носители заряда на единицу объема
d – толщина датчика

Вывод коэффициента Холла

Пусть ток IX — это плотность тока, JX умноженная на корректирующую площадь проводника wt.

IX = JX wt = n q vx w t ———-( 3 )

Согласно закону Ома, если ток увеличивается, поле также увеличивается. Который дается как

JX = σ EX , ————( 4 )

Где σ = проводимость материала проводника.

При рассмотрении приведенного выше примера размещения магнитного стержня под прямым углом к ​​проводнику мы знаем, что на него действует сила Лоренца. Когда достигается устойчивое состояние, не будет потока заряда в любом направлении, которое можно представить как

.

EY = Vx Bz , —————( 5 )

EY – электрическое поле/поле Холла в направлении y

Bz – магнитное поле в направлении z

VH = – ∫0w EY день = – Ey w ———-( 6 )

VH = – ( (1/n q ) IX Bz ) / t , ———– ( 7 )

Где RH = 1/nq ———— ( 8 )

Единицы эффекта Холла: м3/C

Мобильность зала

µ p или µ n = σ n R H ———— ( 9 )

Холловская подвижность определяется как µ p или µ n – проводимость, обусловленная электронами и дырками.

Плотность магнитного потока

Определяется как величина магнитного потока в области, взятой под прямым углом к ​​направлению магнитного потока.

B = VH d / RH I ——— ( 1 0 )

Эффект Холла в металлах и полупроводниках

Согласно электрическому полю и магнитному полю носители заряда, движущиеся в среде, испытывают некоторое сопротивление из-за рассеяния между носителями и примесями, а также носители и атомы вещества, которые испытывают колебания.Поэтому каждый носитель рассеивается и теряет свою энергию. Что может быть представлено следующим уравнением

эффект холла в металлах и полупроводниках

F запаздывающий  = – mv/t , ————– ( 1 1 )

t = среднее время между событиями рассеяния

Согласно закону секунд Ньютона,

M (dv/dt) = (q (E + v * B) – m v) / t ——( 1 2 )

м = масса носителя

Когда возникает установившееся состояние, параметр ‘v’ игнорируется

Если ‘B’ находится вдоль координаты z, мы можем получить набор уравнений ‘ v ‘

vx = ( qT Ex) / m + (qt BZ vy ) / m ———– ( 1 3 )

vy = (qT Ey ) / m – (qt BZ vx) / m ———— ( 1 4 )

vz = qT Ez/м ———- ( 1 5 )

Мы знаем, что Jx = n q vx ————— ( 1 6 )

Подставив в приведенные выше уравнения, мы можем изменить его как

Jx = ( σ/ ( 1 + (wc t)2)) ( Ex + wc t Ey ) ———– ( 1 7 )

J y = (σ * (Ey – wc t Ex ) / ( 1 + (wc t)2 ) ———- ( 1 8 )

Jz = σ Ez ———— ( 1 9 )

Мы знаем, что

σ n q2 т/м ———— ( 2 0 )

σ = проводимость

t = время релаксации

и

wc q Bz/m ————— ( 2 1 )

wc = циклотронная частота

Циклотрон Частота определяется как в магнитном поле частота вращения заряда.Что такое сила поля.

Что можно объяснить в следующих случаях, чтобы узнать, не является ли оно сильным и/или «t» коротким

Случай (i): Если wc t << 1

Указывает на ограничение слабого поля

Случай (ii): Если wc t >> 1

Указывает на сильное ограничение поля.

Преимущества

Преимущества эффекта Холла заключаются в следующем.

  • Скорость работы высокая, т.е. 100 кГц
  • Цикл операций
  • Емкость для измерения больших токов
  • Может измерять нулевую скорость.

Недостатки

К недостаткам эффекта Холла можно отнести следующее.

  • Невозможно измерить ток более 10 см
  • Существует большое влияние температуры на носители, прямо пропорциональное
  • Даже в отсутствие магнитного поля наблюдается небольшое напряжение, когда электроды расположены по центру.

Применение эффекта Холла

Применение эффекта Холла включает следующее.

  • Датчик магнитного поля
  • Используется для умножения
  • Для измерения постоянного тока используется тестер клещей на эффекте Холла
  • .
  • Мы можем измерять фазовые углы
  • Мы также можем измерить датчик линейных перемещений
  • Двигатель космического корабля
  • Контроль источника питания

 Таким образом, эффект Холла основан на электромагнитном принципе. Здесь мы видели вывод коэффициента Холла, а также эффекта Холла в металлах и полупроводниках.Вот вопрос, как эффект Холла применим в работе с нулевой скоростью?

Почему ИС Холла изготовлена ​​из полупроводников, а не из металлических материалов?

Эффект Холла — это эффект магнитной чувствительности. Как правило, магнитное поле с интенсивностью магнитной индукции B применяется в направлении длины X полупроводниковой пластины, а электродвижущая сила UH создается по ширине Y направление. Это явление называется эффектом Холла.UH называется зал потенциала, а его величина может быть выражена как: UH = RH / d * IC * B (1) В формуле RH называется коэффициентом Холла и определяется свойствами материала проводника; d — толщина материала проводника, IC Is сила тока, B — интенсивность магнитной индукции. Установить ОВ / д = K, то формулу (1) можно записать в виде: UH = K * IC * B (2) Видно, что напряжение Холла пропорционально произведению управляющего тока на интенсивность магнитной индукции.K называется большим значением коэффициента Холла , Чем выше чувствительность; чем меньше толщина детали, тем больше выходное напряжение. Коэффициент Холла: в формуле K = 1 / (n * q) n — это плотность носителя. Как правило, плотность носителей в металлах очень велика, поэтому Коэффициент Холла металлических материалов очень мал, а эффект Холла отсутствует. очевидный; Плотность носителей в полупроводниках намного меньше, чем в металлов, поэтому коэффициент Холла полупроводников намного больше, чем у металлы, которые могут производить больший эффект Холла.Поэтому элементы Холла не использовать металлические материалы, но полупроводники.

ИС Холла могут быть изготовлены из различных полупроводниковых материалов. материалы, такие как Ge, Si, InSb, GaAs, InAs, InAsP и многослойные полупроводниковые гетероструктурные материалы с квантовыми ямами. Элемент Холла представляет собой магнитный датчик на эффекте Холла. Их можно использовать для обнаружения магнитных поля и их изменения, и может использоваться в различных связанных с магнитным полем Приложения.Элементы зала имеют множество преимуществ. Имеют прочную структуру, небольшой размер, легкий вес, долгий срок службы, простота установки, низкое энергопотребление, высокая частота (до 1 МГц), виброустойчивость и не боятся пыли, масла, водяного пара и соляного тумана. Загрязнение или коррозия.

ИС с линейным датчиком Холла

ИС с линейным датчиком Холла обладает высокой точностью и хорошей линейностью; Зал коммутационные устройства не имеют контактов, не изнашиваются, четкие формы выходных сигналов, без джиттера, без отскок и высокая повторяемость положения (до уровня мкм).Устройства зала с различные меры компенсации и защиты имеют широкий диапазон рабочих температур диапазон. Так называемый эффект Холла относится к физическому явлению, при котором Боковая разность потенциалов возникает, когда магнитное поле действует на носитель в металлический проводник с током или полупроводник. Эффект Холла металлов был открыт американским физиком Холлом в 1879 г. При пропускании тока через металлическую фольгу, если магнитное поле приложено в направлении перпендикулярно току, на обеих сторонах возникает поперечная разность потенциалов. стороны металлической фольги.Эффект Холла в полупроводниках проявляется сильнее. чем в металлической фольге, а ферромагнитные металлы будут демонстрировать чрезвычайно сильные холловские эффекты ниже температуры Кюри. Эффект Холла можно использовать для построения разнообразные датчики.

Мы Производитель датчиков Холла , добро пожаловать на консультацию.

Можно ли наблюдать эффект Холла в металлах? – Easyrwithpractice.com

Можно ли наблюдать эффект Холла в металлах?

Эффект Холла существует в металлах, где низкое сопротивление электрическому току сделало бы джоулев нагрев незначительным5.Это накопление заряда может быть обнаружено как напряжение холостого хода поперек металла. Напряжение пропорционально напряженности поля, а также интенсивности света.

Что измеряет эффект Холла?

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.

Верен ли эффект Холла для металлов и полупроводников?

Эффект Холла используется, чтобы определить, относится ли полупроводник к N-типу или P-типу. Эффект Холла используется для расчета подвижности носителей заряда (свободных электронов и дырок). Эффект Холла используется для измерения проводимости. Эффект Холла используется для измерения переменного тока. мощность и напряженность магнитного поля.

Как рассчитать напряжение Холла?

При расчете напряжения Холла нам необходимо знать ток через материал, магнитное поле, длину, количество носителей заряда и площадь.Поскольку все они даны, напряжение Холла рассчитывается как: −5м2)=7,9×10−6В.

Что такое эффект Холла и напряжение Холла?

Эффект Холла — это создание разности потенциалов (напряжения Холла) на электрическом проводнике, поперечном электрическому току в проводнике и приложенному магнитному полю, перпендикулярному току. Он был открыт Эдвином Холлом в 1879 году.

Что такое единица измерения коэффициента Холла?

Двумя наиболее широко используемыми единицами измерения коэффициентов Холла являются единицы СИ, м3/А-сек = м3/Кл, и гибридная единица Ом-см/Гс (которая сочетает в себе практические величины вольт и ампер с величинами СГС сантиметр и Гаусс). ).

Может ли коэффициент Холла равняться нулю?

Коэффициент Холла зависит от концентрации дырок и электронов, а также от подвижности носителей. Таким образом, коэффициент Холла для изолятора будет практически равен нулю.

Что такое единица мобильности в системе СИ?

Единицей скорости в системе СИ является м/с, а единицей измерения электрического поля в системе СИ является В/м. Поэтому единицей подвижности в СИ является (м/с)/(В/м) = м2/(В⋅с).

Что такое коэффициент Холла германия?

Коэффициент Холла для образца германия оказался равным -(1.907+0,071)*10-2 м3/с, а число носителей оказалось равным 3,86*1020+0,14*1020/м3. Ранее было установлено, что коэффициент Холла и плотность свободных носителей для германия составляют –8*10-2 м3/C4 и 1,0*1021 электронов/м3 соответственно6.

Какие факторы влияют на коэффициент Холла?

Коэффициент Холла и его знак в свою очередь зависят от плотности носителей заряда и типа носителей заряда. В легированном полупроводнике за протекание тока могут быть ответственны либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные «дырки», т.е. недостающие электроны.

Что подразумевается под напряжением Холла?

[′hȯl ‚vōl·tij] (электроника) Напряжение холостого хода, возникающее на полупроводниковой пластине из-за эффекта Холла, когда заданный ток управления протекает в присутствии заданного магнитного поля.

Что называется эффектом Холла?

Эффект Холла возникает, когда магнитное поле прикладывается под прямым углом к ​​току, протекающему в тонкой пленке, где генерируется электрическое поле, взаимно перпендикулярное току и магнитному полю и прямо пропорциональное произведению плотность тока и магнитная индукция.

Кто открыл эффект Холла?

физик Эдвин Холл

Каково происхождение эффекта Холла?

История эффекта Холла начинается в 1879 году, когда Эдвин Х. Холл обнаружил, что небольшое поперечное напряжение возникает на тонкой металлической полоске с током в приложенном магнитном поле.

Что измеряет датчик Холла?

Пояснение: преобразователи на эффекте Холла можно использовать для измерения линейного и углового смещения, магнитного поля и т. д.

По какому принципу работает датчик Холла?

Принцип работы В датчике Холла ток подается на тонкую полоску металла. В присутствии магнитного поля, перпендикулярного направлению тока, носители заряда отклоняются под действием силы Лоренца, создавая разницу электрического потенциала (напряжения) между двумя сторонами полоски.

Что такое эффект Холла и его применение?

Датчики Холла с цифровым выходом

в основном используются в магнитных переключателях для обеспечения цифрового выхода по напряжению.Таким образом, они подают в систему входной сигнал ВКЛ или ВЫКЛ. Основным отличием датчика Холла с цифровым выходом является способ управления выходным напряжением.

Для чего нужен датчик Холла?

Используя магнитные поля, датчики Холла используются для обнаружения переменных, таких как близость, скорость или смещение механической системы. Датчики Холла являются бесконтактными, что означает, что они не должны вступать в контакт с физическим элементом.

Что внутри датчика Холла?

Принцип действия датчика Холла

Датчики Холла состоят в основном из тонкого куска прямоугольного полупроводникового материала р-типа, такого как арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb) или арсенид индия (InAs), пропускающего через себя непрерывный ток.

Как узнать, неисправен ли мой датчик Холла?

Потеря мощности, громкий шум и ощущение того, что двигатель каким-то образом заблокирован, часто являются признаками того, что либо контроллер вышел из строя, либо у вас могут быть проблемы с датчиками Холла внутри двигателя.

Как выходит из строя датчик Холла?

В датчике на эффекте Холла могут возникнуть различные неисправности, такие как дефекты в сердечнике (коррозия, трещины, остаточные магнитные поля и поломка сердечника), изменения тока смещения, изменение магнитных свойств ферритового сердечника из-за колебаний температуры, изменения направления индуцированного магнитного поля …

Каков диапазон датчика Холла?

Датчики линейного перемещения на эффекте Холла

Технические характеристики Датчики нулевой скорости

Напряжение питания (Вс): 8–30 В пост. тока при 5 мА
Диапазон частот: 0 – 30 кГц
Расстояние обнаружения: Зависит от напряженности поля (до 1.0″ @ 3000 Гс
Темп. Диапазон: 2TE: от -40° до 221° F (от -40° до 105° C) 3TE: от -40° до 300° F (от -40° до 150° C)
Длина резьбы: 1,0–6,0 дюймов (25–152 мм)

Насколько точен датчик Холла?

Что касается точности, доступные в настоящее время датчики на эффекте Холла могут обеспечивать выходную погрешность всего 1%. Хорошо спроектированная резистивная схема измерения тока может превзойти это значение, но 1%, как правило, будет достаточно в приложениях с высоким током/высоким напряжением, для которых особенно подходят устройства на эффекте Холла.

Как выбрать датчик Холла?

Уровень чувствительности зависит от размещения датчика относительно магнита, воздушного зазора и силы магнита. В технических характеристиках изделия должна быть указана напряженность магнитного поля (измеряемая в Гауссах), необходимая для изменения состояния биполярного датчика Холла (срабатывает и отключается).

Является ли преобразователь датчиком?

Как датчик, так и преобразователь используются для обнаружения изменений в среде, в которой они находятся, или в объекте, к которому они прикреплены, но датчик выдает выходные данные в том же формате, а преобразователь преобразует измерение в электрическое значение. сигнал.

Является ли термометр датчиком или преобразователем?

Термометр воспринимает и преобразует температуру в читаемый результат, поэтому он является датчиком. Термометр является одновременно преобразователем (обычно это термопара, которая преобразует тепловую энергию в напряжение) и датчиком (вычисляет выходной сигнал преобразователя в удобочитаемом формате).

Что является примером преобразователя?

Преобразователь — это электронное устройство, преобразующее энергию из одной формы в другую. Общие примеры включают микрофоны, громкоговорители, термометры, датчики положения и давления и антенны.Некоторые антенны приближаются к 100-процентной эффективности. …

Какова основная функция преобразователя?

Преобразователь — это устройство, преобразующее энергию из одной формы в другую. Обычно преобразователь преобразует сигнал одной формы энергии в сигнал другой.

Почему LVDT называется LVDT?

Термин LVDT расшифровывается как Linear Variable Differential Transformer. Это наиболее широко используемый индуктивный преобразователь, который преобразует линейное движение в электрический сигнал.Выход на вторичной обмотке этого трансформатора является дифференциальным, поэтому он так и называется.

Эффект Холла | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите 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 под действием магнитного поля известно как эффект Холла , в честь Эдвина Холла, американского физика, открывшего его в 1879 году.

Рис. 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 оказывает силу на движущиеся заряды, вызывая напряжение ε , ЭДС Холла, на проводнике.(b) Положительные заряды, движущиеся вправо (обычный ток тоже 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, переносят ли положительные или отрицательные заряды 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 году было обнаружено, что эффект Холла квантуется, что является примером квантового поведения в макроскопическом объекте.

Эффект Холла имеет и другие применения, 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 , в конце концов вырастает и становится равной ей.То есть

qE = qvB

или

Э = ВБ.

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

[латекс]\frac{\epsilon}{l}=vB[/латекс].

Решение этой задачи для ЭДС Холла дает

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

, где ε — напряжение эффекта Холла на проводнике шириной l , по которому движутся заряды со скоростью v .

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 , могут быть сделаны 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 90 640 l 90 642 — диаметр трубы, так что среднюю скорость 90 640 v 90 642 можно определить из 90 640 ε 90 642 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 v .

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 рисунке 3. Чему равна ЭДС Холла, если внутренний диаметр сосуда составляет 4,00 мм, а среднее скорость 20,0 см/с?

Стратегия

Поскольку B , v и l взаимно перпендикулярны, уравнение  ε = Blv  можно использовать для нахождения ε .{-3}\text{ m}\right)\left(0.200\text{ м/с}\right)\\ & =& 80.0\text{ }\mu\text{V}\end{массив}\\ [/латекс]

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. Крупный водопровод диаметром 2,50 м и средней скоростью 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. а) 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 равна 8,00 × 10 5  T? б) Объясните, почему из-за этого напряжения Холла протекает очень небольшой ток.

4.Немеханический счетчик воды 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 проводящий путь на стенке сердца проводом длиной 7,50 см, который движется со скоростью 10,0 см/с перпендикулярно оси 1.магнитное поле 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?

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 МРТ-сканирование.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

1.7,50 × 10 −4 В

3. (a) 1,18 × 10 3 м/с (b) После установления ЭДС Холла толкает заряды в одном направлении, а магнитная сила действует в противоположном направлении, в результате чего суммарная сила на заряды не действует. Следовательно, ток не течет в направлении ЭДС Холла. Это то же самое, что и в проводнике с током — ток течет не в направлении ЭДС Холла.

5. 11,3 мВ

7. 1,16 мкВ

9. 2,00 Т

 

Эффект Холла в металлах и сплавах

‘) переменная голова = документ.getElementsByTagName(«голова»)[0] var script = document.createElement(«сценарий») script.type = «текст/javascript» script.src = «https://buy.springer.com/assets/js/buybox-bundle-52d08dec1e.js» script.id = «ecommerce-scripts-» ​​+ метка времени head.appendChild (скрипт) var buybox = document.querySelector(«[data-id=id_»+ метка времени +»]»).parentNode ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.вариант-покупки»)).forEach(initCollapsibles) функция initCollapsibles(подписка, индекс) { var toggle = подписка.querySelector(«.цена-варианта-покупки») подписка.classList.remove(«расширенный») var form = подписка.querySelector(«.форма-варианта-покупки») если (форма) { вар formAction = form.getAttribute(«действие») документ.querySelector(«#ecommerce-scripts-» ​​+ timestamp).addEventListener(«load», bindModal(form, formAction, timestamp, index), false) } var priceInfo = подписка.querySelector(«.Информация о цене») var PurchaseOption = toggle.parentElement если (переключить && форма && priceInfo) { toggle.setAttribute(«роль», «кнопка») переключать.setAttribute(«табиндекс», «0») toggle.addEventListener («щелчок», функция (событие) { var expand = toggle.getAttribute(«aria-expanded») === «true» || ЛОЖЬ toggle.setAttribute(«aria-expanded», !expanded) form.hidden = расширенный если (! расширено) { покупкаOption.classList.add(«расширенный») } еще { покупкаВариант.classList.remove («расширенный») } priceInfo.hidden = расширенный }, ЛОЖЬ) } } функция bindModal (форма, formAction, метка времени, индекс) { var weHasBrowserSupport = window.fetch && Array.from функция возврата () { var Buybox = EcommScripts ? EcommScripts.Buybox : ноль var Modal = EcommScripts ? EcommScripts.Модальный: ноль if (weHasBrowserSupport && Buybox && Modal) { var modalID = «ecomm-modal_» + метка времени + «_» + индекс var modal = новый модальный (modalID) modal.domEl.addEventListener («закрыть», закрыть) функция закрыть () { form.querySelector («кнопка [тип = отправить]»).фокус() } вар корзинаURL = «/корзина» var cartModalURL = «/cart?messageOnly=1» форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartURL, cartModalURL) ) var formSubmit = Buybox.interceptFormSubmit( Буйбокс.fetchFormAction(окно.fetch), Buybox.triggerModalAfterAddToCartSuccess(модальный), функция () { form.removeEventListener («отправить», formSubmit, false) форма.setAttribute( «действие», formAction.replace(cartModalURL, cartURL) ) форма.Отправить() } ) form.addEventListener («отправить», formSubmit, ложь) document.body.appendChild(modal.domEl) } } } функция initKeyControls() { document.addEventListener («нажатие клавиши», функция (событие) { если (документ.activeElement.classList.contains(«цена-варианта-покупки») && (event.code === «Пробел» || event.code === «Enter»)) { если (document.activeElement) { событие.preventDefault() документ.activeElement.click() } } }, ЛОЖЬ) } функция InitialStateOpen() { var узкаяBuyboxArea = покупная коробка.смещениеШирина -1 ;[].slice.call(buybox.querySelectorAll(«.опция покупки»)).forEach(функция (опция, индекс) { var toggle = option.querySelector(«.цена-варианта-покупки») var form = option.querySelector(«.форма-варианта-покупки») var priceInfo = option.querySelector(«.Информация о цене») если (allOptionsInitiallyCollapsed || узкаяBuyboxArea && индекс > 0) { переключать.setAttribute («ария-расширенная», «ложь») form.hidden = «скрытый» priceInfo.hidden = «скрытый» } еще { переключить.щелчок() } }) } начальное состояниеОткрыть() если (window.buyboxInitialized) вернуть window.buyboxInitialized = истина initKeyControls() })() .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.