- •Поняття про магнетизм
- •1. Магнітне поле у вакуумі
- •1.1. Магнітне поле, індукція магнітного поля
- •1.2. Закон Біо-Савара-Лапласа
- •1.3. Магнітне поле рухомого заряду
- •1.4. Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом
- •1.5. Магнітне поле колового струму
- •1.6. Потік вектора магнітної індукції
- •1.7. Циркуляція вектора магнітної індукції
- •1.8. Магнітне поле соленоїда і тороїда
- •1.9. Закон Ампера
- •1.10. Сила Лоренца
- •1.11. Ефект Холла
- •1.12. Рух заряджених частинок у однорідному магнітному полі
- •1.13 Прискорювачі заряджених частинок
- •1.14. Контур зі струмом у зовнішньому магнітному полі
- •1.15. Робота при переміщенні контуру зі струмом у магнітному полі
1.11. Ефект Холла
У 1879 р.
американський фізик Е. Холл виконав
такий дослід. Він пропускав постійний
електричний струм
через пластинку (рис. 1.21), виготовлену
із золота, вимірював різницю потенціалів
між протилежними точками 1 і 2 на верхній
і нижній гранях. Ці точки лежать в одному
й тому ж поперечному перерізі П
провідника. Виявилося, що
.
Коли пластинку зі струмом було вміщено
в однорідне магнітне поле, перпендикулярне
до її бічних граней, то потенціали точок
1 і 2 стали різними. Це явище назвали
ефектом Холла або гальваномагнітним
явищем. Виявилося, що різниця потенціалів
між точками 1 і 2 прямо пропорційна силі
струму
,
індукції магнітного поля
і зворотно пропорційна ширині пластинки
,
(1.34)
де
-
стала Холл,
- густина струму.
Подальші
дослідження показали, що явище Холла
спостерігають в усіх провідниках і
напівпровідниках незалежно від матеріалу.
Зміна напрямку струму або напрямку
магнітного поля на протилежний викликає
зміну знака різниці потенціалів
.
Величина сталої Холла
залежить від матеріалу пластинки, при
чому цей коефіцієнт для одних речовин
додатний, а для інших – від’ємний.
Явище
Холла для ізотронних речовин можна
тлумачити таким чином. За відсутності
магнітного поля електричний струм у
пластинці зумовлений електричним полем
напруженості
(рис1.22). Еквіпотенціальні поверхні цього
поля створюють систему площин,
перпендикулярних до напрямку вектора
.
Потенціал електричного поля у всіх
точках кожної поверхні, в тім числі і в
точках 1 та 2, однаковий і
.
Електрони провідності рухаються
упорядковано з швидкістю
,
спрямованою проти напрямку струму
(рис. 1.22). При накладанні магнітного поля
на електрон провідності діє сила


Рис. 1.21 Рис. 1.22
Лоренца
.
Під впливом цієї сили електрон відхиляється
до верхньої грані пластинки, внаслідок
чого відбувається перерозподіл зарядів
у провіднику, тобто його поляризація.
Це сприяє виникненню додаткового
електричного поля напруженістю
.
Напруженість сумарного електричного
поля в провіднику
.
Еквіпотенціальні поверхні цього поля
будуть перпендикулярними до вектора
,
і точки 1 та 2 уже не лежать в одній
еквіпотенціальній поверхні, тобто
і
.
Сила
,
яка діє з боку поперечного електричного
поля на електрон, направлена в бік,
протилежний напрямку сили Лоренца. Для
рівноважного процесу проходження струму
по пластинці ці сили повинні бути
зрівноваженими, тобто
,
звідки
.
Якщо пластинка досить довга і широка,
то поперечне електричне поле можна
вважати однорідним (воно подібне до
поля у плоскому конденсаторі). Тоді
різниця потенціалів між точками 1 та 2
дорівнює
.
Швидкість
знайдемо із співвідношення
.
Тоді
.
(1.35)
На підставі формул (1.34) та (1.35) отримуємо
.
(1.36)
Із
співвідношень
і
знаходимо:
,
(1.37)
де
- рухливість носіїв заряду. Вона чисельно
дорівнює дрейфовій швидкості заряджених
частинок в полі, напруженість якого
дорівнює одиниці.
Якщо
струм у провіднику створюється не
електронами, а частинками з зарядом
(іонами валентності
),
то у всіх наведених вище формулах варто
величину
замінити величиною
,
де
- величина елементарного заряду.
У
напівпровідниках в електропровідності
беруть участь одночасно електрони
провідності та дірки. За даними [6]
сталу Холла для напівпровідників
обчислюється через парціальні провідності
електронів
і дірок
та їхні концентрації
і
:
для слабких магнітних полів
,
(1.38)
а для сильних полів
.
(1.39)
За умови,
що
для всієї області магнітних полів
,
а знак
вказує на переважаючий тип електропровідності.
Як
засвідчують досліди, в металах концентрація
вільних електронів
і
.
Для напівпровідників
.
Отже, холлівська напруга
у напівпровідниках у стільки ж разів
більша, ніж у металах, тому спостерігати
ефект Холла в напівпровідниках простіше,
ніж у металах.
Дослідження
ефекту Холла відіграло важливу роль у
створенні електронної теорії твердого
тіла. Ефект Холла – один із найбільш
ефективних сучасних методів вивчення
енергетичних спектрів носіїв заряду в
металах і напівпровідниках. Знаючи
,
можна визначити знак носіїв заряду,
оцінити їх концентрацію та рухливість,
а також часто дійти висновку щодо
кількості домішків у речовині, наприклад
у напівпровіднику. Ефект Холла має
також ряд практичних застосувань у
вимірювальній та обчислювальній техніці,
автоматиці та радіоелектроніці.
