Холла
эффект.
Как оказалось, не все так просто у Холла.
Для
справки можно сбегать по ссылкам.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла
http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/147683/Холла
Возникновение
поперечного электрического поля в проводнике или полупроводнике с током при
помещении его в магнитное поле.
В
первом варианте статьи высказывались в основном только сомнения в правильном
толковании эффекта с позиции силы Лореца и с позиции теории свободных
электронов. По прошествии времени
уверенность окрепла, и появились, на мой взгляд, достаточно убедительные
основания подтвердить это более правдоподобными рассуждениями.
Вообще
хитрая штука. Проводник должен иметь размеры: длина значительно больше и ширины
и высоты. При других геометрических формах кроме параллепипеда, например,
проводника круглого сечения даже информации нигде не найти. Кроме того, толщина
пластинки, как правило, делается минимальной. Это непонятно, и никем не
объяснено. Еще никто не объяснял, почему отрезок проводника должен быть
законтачен именно посредине.
Похоже, что это просто особенности, при
которых удалось поймать этот эффект. А в последствии и использовать.
Само
появление этого эффекта говорит о том, что если в точке контакта (пересечения
двух проводников) изменяется распределение токов под действием магнитного
потока, то нарушается один из законов электрики, закон Киркгофа.
Все
выглядит очень серьезно.
Если
применять прямой контакт проводников получится обычное разветвление
электрической цепи с параллельным разветвлением и никак иначе. Эдс будет просто
зависеть от основного тока и сопротивления этих ветвей. Во всех источниках или
нагло врут или мы имеем дело с гораздо
более сложным и красивым явлением. Почему, да потому что тогда в электротехнику
вклинивается эффект зависимости токов
в местах пересечений с контактом
одинаковых по химическому составу проводников, контактом проводников с разным
химическим составом, и комбинаций контактов различных проводников,
полупроводников от наличия внешнего
магнитного потока. Токи если и малые, но
все таки, вносящие свою лепту в
работу электрических схем. И не только внешнего магнитного поля, но и от
нагрева, а также от освещения, если использовать соответствующие полупроводники
или их комбинации.
То
есть эффект Холла можно уже объединить с массой не только гальваномагнитных
явлений.
А
современные нанотехнологии должны уже всерьез учитывать этот эффект.
Начнем
с того, что прямая пайка проводников к такой пластине не даст обнаружить
чистого действия эффекта.
Отступление.
Опыт с
магнитной стрелкой и проводником
проводился еще Эрстедом, Затем
тоже самое проведено Фарадеем с магнитом и
движущимся в магнитном поле проводником (пластиной или диском). А это как раз и будет исходным опытом. Ведь
движение проводника, как раз и замещает движение самих свободных электронов в этом проводнике. Араго
провел опыт с вращением диска и параллельно расположенным вращающимся в такт
магнитом.
Как-то
Холл не сопоставил, забыл об этом и не вспомнил о массе предшественников. Все объяснение сегодня делается от сил
Лоренца, неизвестно как берущихся у электронов, дескать, магнитное поле смещает эти электроны, о
боже!!! Имеющие магнитный момент, как
оказывается, смещаются они то не к
полюсу магнита, а в сторону от него. Это
к слову о принципиальной невозможности либо использования силы Лоренца, либо
магнитного момента
Действие силы Лоренца на движущийся
отрицательный заряд в проводнике
Рис. 1
На
противоположной стороне скапливаются положительные заряды.
Что
получается с силой Лоренца. Вопреки
всякой логике скорость электронов направлена в сторону противоположную
направлению самого тока. От Минуса к
плюсу.
Далее представим более на наш взгляд качественные объяснения.
Начнем с того, что получается при
отсутствии тока, Если в точке съема эдс напрямую припаять или вварить провода к
такому проводнику, то никакой заметной
эдс Холла мы не обнаружим. Обнаружим контактную разность
потенциалов прежде всего. Посмотрим на Нерста-Эттингхаузена эффект.
От себя – вдоль проводника. Еще и поперечный (эффект Нернста). Посмотрим на Эттингсгаузена (-Кернота) эффект. В направлении перпендикулярном к направлению магнитного поля и направлению тока возникает температурный градиент (разность температур). Два эффекта.
Для дырок
у коэффициента Холла вместо заряда электрона подставляют с обратным знаком
заряд того же электрона. И Это у
металлов?????!!!!!!!!!
Откуда
у Золота и железа берутся дырки, это не
полупроводники.
Для проводника Эдс Холла снимают, устроив
двойной конденсатор между боковыми поверхностями, то есть, приклеив или напылив
изолирующую прокладку между проводником и
якобы контактами. Но это с проводником. Что уже чисто внешне будет
напоминать пьезоэффект. Кристалл-диэлектрик между двумя пластинами-контактами.
С полупроводником несколько иначе, там можно и
типа прямой точечный контакт, выполняющий, в силу односторонней
проводимости, роль такого конденсатора,
как принято индий-германий. Эдс холла снимается так и только так. Да и p-n
переход просто обязан иметь собственную емкость, а значит и означенное в
определении эффекта электрическое поле, перпендикулярное магнитному потоку.
Тут
по классической теории идут сплошные разговоры и математика никак не
объясняющие причин возникновения эдс. Никак при этом не рассматривается
зависимость эдс не только от материала пластины, но материала самого контакта.
Делаются только эмпирические предположения.
При
рассмотрении в учет совсем не
принимаются:
контактная разность
потенциалов,
Нернста —
Эттингсгаузена Эффект
И многих других эффектов напрямую связанных с данным.
То
есть исследование не проводилось на всю катушку и теоретическая сторона этого
дела в качественном аспекте и понимании неудовлетворительна.
Начнем с электростатики… ток не создает электрического поля, только
магнитное. Поэтому объяснение с позиции работы силы Лоренца выглядит несколько
неубедительным. К тому же, как выяснилось, переносчиком тока не является
элементарный электрический заряд. Значит и никаких полей, потому как и с
магнитным полем приходится распрощаться по причине опять же вполне
понятным. Все те же заряды и их
магнитный момент. И непонятный
носитель магнитного поля в виде виртуального фотона – кванта магнитного
взаимодействия.
http://fatyf.narod.ru/ELECTRON.htm
Просто
имеем два потока излучения различных по спектральному составу.
Материал
проводника по-разному на них реагирует.
В частности парамагнетики и диамагнетики по-разному взаимодействуют с
магнитным потоком.
Одни
из них втягиваются в поток, другие выталкиваются.
Сам
ток стремится выйти из магнитного потока
в сторону, зависящую от его направления. Это следует из опытов.
Получается,
ток уже по умолчанию имеет право быть хотя бы частично отклонен в сторону. И
поскольку все это происходит в одном проводнике, имеются веские основания для
возникновения разницы потенциалов между плоскостью, в сторону которой
отклоняется ток, и плоскостью где тока нет.
Точнее
это канал в проводнике, по которому течет ток. Почему канал?
Отступление.
В
газах образование канала явно видно при прохождении электрического разряда
(молнии). Он образуется при пониженном давлении в катодных трубках, где это
особенно наглядно видно. Среда более
однородна по проводимости и луч прямой, в отличие от молнии. Отклонение в сторону
от магнитного потока открыто еще Томсоном в
Если проводник к тому же и диамагнетик, то первое
что приходит в голову, излучение отражается. Холл впервые обнаружил эффект у
золота, диамагнетика.
Если проводник парамагнетик, излучение
поглощается, парамагнетик намагничивается (слабо), атомы меняют ориентацию и
ток отклоняется в противоположную сторону.
Как раз для парамагнетиков и появляется
обратный знак коэффициента Холла.
Это
алюминий, цинк, железо, кобальт.
Обратный знак у меди единственный не входящий в эту
последовательность. Медь – диамагнетик.
Но очень посредственный.
Уд. молярная намагниченность = -5.12 x 10-
Приведем
вырезку из Берклиевского курса физики. Том2.
Из
приведенной таблицы видно, что медь занимает последнее место в ряду
диамагнетиков.
Вообще,
оказываетс,я что диамагнетизм проявляется (появляется возможность
измерения) только в достаточно сильном
магнитном поле. То есть динамика изменения диамагнитности не снимается.
А
она должна быть с такой же неотвратимостью, как и петля гистерезиса узкая или
широкая у различных ферромагнетиков.
То
есть в слабых магнитных полях многие вещества, и не только медь – парамагнитны.
http://www.ooorustorg.ru/abstract/fundamental/2b.html
Что
интересно, парамагнитные свойства меди обнаружены в элементарном опыте по
выращиванию кристаллов в слабом магнитном поле. http://portfolio.1september.ru/work.php?id=576642
Браво
учителю. Можно конечно оспаривать выводы(объяснить круги наличием атомов
кислорода, но медь(64) против 4х16 по крайней мере нейтрализовать должна, а
сера, присутствующая в медном купоросе тоже диамагнетик!!!)
В
опытах Франка –Герца при исследовании на
предмет реакции вещества на изменение напряжения показана зависимость
напоминающая синусоиду.
I
U
Раз уж принято, что ток это излучение, то данный график как по форме
так и по физическому содержанию должен повторять закономерность и с магнитным
потоком, тоже излучением иного просто качества.
Таким образом, можно заключить даже не предполагая, что в слабых
магнитных полях медь отнюдь не проявляет диамагнитных свойств.
Опять же из таблицы Менделеева следует вывод, что при нормальных
условиях следует ожидать, что физические свойства меди, золота, серебра должны
быть сходными.
См. статью Плотность. http://fatyf.narod.ru/density.htm
Графики в статье убедительно это доказывают, они не вычислены, а
построены на данных, взятых из справочников.
Опять же вроде как открытый Планком
принцип квантования энергии, с посылкой, что именно излучение
распространяется квантами оказывается неверен чисто по логическим соображениям.
Это излучение квантуется веществом. Поглощается до той поры пока
вещество способно поглощать, резко не изменяя своих свойств и в случае их
изменения (верхний пик графика) отражает, быстро пытается восстановить
первоначальное стабильное состояние, что уже в принципе невозможно. Подскок
нижнего экстремума. Такое явление можно назвать памятью вещества. Запоминание в виде структуры. Это
свойство наиболее заметно проявляется у
ферромагнетиков в виде доменной структуры. В виде остаточной намагниченности.
Как это сказывается чисто на атомах вещества?
Скорее всего, это изменение плотности или размеров атома.
«Коэффицент
Холла может быть положительным и отрицательным и даже менять знак с изменением температуры. Для большинства металлов наблюдается почти
полная независимость коэффициента Холла от температуры. Резко
аномальным эффектом Холла обладает висмут, мышьяк и сурьма. В ферромагнетиках
наблюдается особый ферромагнитный эффект Холла.
Коэффициент Холла достигает максимума в точке Кюри, а затем снижается.»
То есть зависимость от температуры имеется, но данные об этой почти независимости для металлов не озвучиваются. Стоит рассмотреть опыты Фарадея с
движением металлической пластины между полюсами магнита. Там простое движение
приводит к возникновению тока. Теперь
заменим само возвратно-поступательное движение уже наличием тока на гранях
проводника. Получим взаимодействие тока с магнитным полем и его расщепление..
А теперь просто посмотрим на все эффекты двойного лучепреломления и
поляризации света.
Аналогия просится совершенно очевидная.
Почему выводы располагаются посредине.
Ответ опять простой. Как и при определении силы ампера, действие поля магнита
распространяется только на отрезок проводника между полюсами. В случае смещения
длина между зоной действия поля и местом съема эдс увеличится и увеличится сопротивление и уменьшится величина
напряжения.
Почему форма такая? Да так повелось. Все тоже самое можно делать
и на круглых проводниках.
Почему большую роль играет толщина
пластины?
Толстая не промагничивается! И излучение
(ток) рассеивается.
Небольшое примечание, эффект холла может
происходить и в случае если проводник
-проводящая жидкость, проводящий газ.
Если взять в учет все явления связанные с изменением внешних условий воздействующих на проводник, с током, без тока, и прицепить еще и движение такого проводника относительно источников воздействия, то вырисовывается картина общего закона. Мы имеем дело с зависимостью динамики поведения излучения протекающего по проводнику, при его пересечении с излучениями различных частот возмущающего воздействия. Это и свет и тепло и как принято сегодня магнитного поля (излучения). И все это зависит от структуры, плотности(площадей поверхностей взаимодействия) и спектра конкретных атомов и молекул подвергнутых этим воздействиям (динамика поведения вещества). Задача исследования архи сложная и требующая накопления огромнейшей базы числовых и графических данных. Все это относится и к большинству эффектов типа двойного лучепреломления, нелинейного распространения света в кристаллах.А основная причина кроется в изменчивости спектров атомов и молекул подвергнутых внешнему воздействию именно в твердом состоянии.А воздействий два. Первое это электрический ток, второе это магнитный поток. Поэтому важно как ведет себя атом диамагнетика или парамагнетикаПод действием электрического тока.Пример: эффект Зеемана. Аномальный эффект Холла. Появление эдс и в отсутствие магнитного потока. По мнению спецов от теории относительности:«Необходимым условием для наблюдения аномального эффекта Холла является «нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе» http://ru.wikipedia.org/wiki/T-симметрия
. Например, аномальный эффект Холла может наблюдаться в образцах с намагниченностью.» «В ферромагнетиках на электроны проводимости действует не только внешнее, но и внутреннее магнитное поле: В = Н + 4pМ. Это приводит к особому ферромагнитному эффекту Холла Экспериментально обнаружено, что Ex= (RB + RaM) j, где R — обыкновенный, a Ra — необыкновенный (аномальный) коэффициент Холла. Между Ra и удельным электросопротивлением ферромагнетиков установлена корреляция.» 
В представленном варианте (рис.) немудрено возникновение эффекта, так как магнитный поток проходит непосредственно в ферромагнетике(внутри проводника и магнита одновременно.)Про корреляцию и так можно было бы догадаться.Привлечение обращения времени является не более чем пародией на романы Герберта Уэльса.Вот только вопрос, изменяется ли удельное сопротивление ферромагнетика в процессе намагничивания (продольное и поперечное)К сожалению, у америкосов все за бабки. Оригинал статьи естественно тоже. http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v82/i2/p1539_1
Хотя по введению и так все ясно. Очередное квантовомеханическое оправдание с примесью теории относительности. Квантовый эффект Холла. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1167675
стоит только сравнить графики. Де Хаза-Ван Альфена эффект. При низких температурах у металлов: висмут, бериллий, цинк, и полупроводников наблюдается осцилляционное изменение магнитной восприимчивости при плавном увеличении напряженности магнитного поля. Обратный эффект смотри ниже. Шубникова-Де Хааза эффект. В магнитных полях 104-105 эрстед при низких температурах у всех металлических кристаллов наблюдается осциллирующая зависимость электросопротивления от магнитного поля. Объясняется следствием квантования движения электронов в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Как правило, квантовая осциллирующая зависимость в виде небольшой ряби наложена на обычную зависимость сопротивления от магнитного поля. Ну, прямо шедевр квантовой механики. Во-первых, раз удалось поймать осцилляцию, значит частота этой осцилляции практически заметна глазу. То есть в цифрах это изменение какого-то знака после запятой не очень далеко от нее стоящего. И всего максимум сотня другая точек. На графике эту осцилляцию видно, значит частота уж очень маленькая. А во-вторых, частота вращения электронов, если бы это были они, несравнимо выше. К тому же по той же квантовой теории орбиты электронов непредсказуемы, это облако. Неооопределенность Гейзенберга и модель атома Резерфорда-Бора. Правда последнее время появились и другие модели ничуть не улучшающие ситуации. Так что о перпендикулярном полю движении (вращении) электронов и говорить не стоит. И перпендикулярность под сильным вопросом. Также проблематично и скачкообразное перемещение свободных электронов поперек проводника перпендикулярно электрическому полю. Во-первых их нет, а если бы и были то как скачут? И возникает вопрос: а не видоизмененный ли это эффект Холла. А осцилляцию можно объяснить, внимательно посмотрев на опыты Франка-Герца и повторив их в магнитном поле, даже без сверхпроводимости. Также последние два эффекта перекликаются с Баркгаузена эффектом приведенным выше. Фатьянов А.В. 24 .02.2010---21.10.2010