53.Гальваномагнитные явления. Эффект Холла. Связь постоянной Холла с концентрацией и знаком носителей заряда. Гальваномагнитные явления.

Совокупность явлений, связанных с действием магн. поля на электрические (гальванические) св-ва тв. проводников, по к-рым течёт ток. Наиболее существенны поперечные Г. я., когда магн. поле Н перпендикулярно току j (j - плотность тока). К ним относятся Холла эффект - возникновение разности потенциалов (эдс Холла) в направлении, перпендикулярном полю Н и току j, и поперечный магниторезистивный эффект - изменение электрич. сопротивления r проводника в поле Н. К продольным Г. я. относится небольшое изменение сопротивления DrВ¦ в поле HВ¦j. В тонких плёнках и проволоках (Dr0/r)^ и (Dtr/r0)В¦ зависят от размеров и формы образца (размерные эффекты). С ростом H эта зависимость исчезает. Г. я. в феррамагнетиках обладают рядом особенностей, обусловленных существованием самопроизвольной намагниченности в отсутствии магн. поля.

Осн. причина Г. я.- искривление траекторий носителей заряда - эл-нов проводимости и дырок - в магн. поле (см. ЛОРЕНЦА СИЛА). Траектории носителей могут существенно отличаться от траектории свободного эл-на в магн. поле - круговой спирали, навитой на магнитную силовую линию. Разнообразие траекторий носителей заряда у разл. проводников - причина многообразия Г. я. Мерой влияния магн. поля на движение носителей явл. отношение длины l свободного пробега носителей к радиусу кривизны rH траектории в поле Н (rH=ср/еН, р - ср. импульс). По отношению к Г. я. магн. поле считают слабым, если Н<-H0=cp/el, и сильным, если Н->Н0. При комнатной темп-ре для металлов и хорошо проводящих полупроводников H0»105-106 Э, для плохо проводящих полупроводников H0»108-109 Э. С понижением темп-ры l увеличивается и потому уменьшается Н0. Это позволяет, используя обычные магн. поля 104 Э, осуществлять условие H->H0.

При низких темп-pax наблюдаются квант. осцилляции сопротивления и постоянной Холла при изменении магн. поля.

Эффект Холла

При движении электрического заряда в магнитном поле на него воздействует отклоняющая сила. Именно на этом принципе основана работа таких экспериментальных установок, как синхрофазотрон, широко использующихся в исследованиях в области физики элементарных частиц: в них заряженные частицы оказываются пойманными в тороидальную (в форме бублика) магнитную ловушку и летают по кругу внутри неё. В малых масштабах этот эффект используется в устройстве микроволновой печи — в ней электроны, циркулируя в магнитном поле, производят сверхвысокочастотное излучение, разогревающее пищу.

Представьте, что на столе перед вами лежит кусок проводящей проволоки, а магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости крышки стола. Если по проволоке пропустить ток, магнитное поле заставит заряды внутри провода отклоняться в одну сторону (вправо или влево от направления тока, в зависимости от ориентации магнитного поля и полярности зарядов). Смещаясь от направления прямолинейного движения внутри проводника, заряды будут скапливаться в приграничной зоне, пока силы взаимного электростатического отталкивания между ними, возникающие в силу закона Кулона, не уравновесят отклоняющую силу воздействия магнитного поля на ток. После этого ток снова потечёт прямолинейно, однако на проводнике возникнет разность электрических потенциалов в плоскости, перпендикулярной как направлению тока, так и направлению силовых линий магнитного поля, вызванная перераспределением электрических зарядов в плоскости сечения проводника, а величина этой разности потенциалов будет пропорциональна силе тока и напряженности магнитного поля.

Первым поперечное электрическое напряжение, возникающее под воздействием внешнего магнитного поля, по вышеописанной схеме измерил в 1879 году Эдвин Холл. Он осознал, что направление вектора напряжения будет зависеть от того, какие заряды — отрицательные или положительные — являются носителем тока. И, в результате проведённых опытов, Холл первым в мире наглядно продемонстрировал, что электрический ток в металлах создаётся направленным движением отрицательно заряженных электронов. А до этого опыта учёные сомневались и относительно полярности зарядов-носителей тока, и относительно того, воздействует ли магнитное поле на заряженные частицы внутри проводника или на саму неподвижную структуру проводника.

Прошло более столетия после экспериментов Холла, и германский физик Клаус фон Клитцинг (Klaus von Klitzing, р. 1943) открыл квантово-механический аналог эффекта Холла, за что и был в 1985 году удостоен Нобелевской премии по физике.