Гальваномагнитные эффекты и применение их в измерительной технике  

К настоящему времени известно более 200 эффектов данного типа. Например, известно, что в проводнике, движущемся или совершающем колебания в магнитном поле, наводится ЭДС. На этом принципе создают устройства для измерения параметров магнитных полей и связанных с ними других параметров (например, преобразователь Чепина).

В расплавах и растворах, движущихся в магнитном поле, в направлении перпендикулярном движению и магнитному полю генерируется ЭДС (магнитоиндукционный метод измерения скорости потока):

                                (2.34)

Фотоэлетромагнитный эффект (Носкова - Кикоина) заключается в том, что в полупроводнике, находящемся в магнитном поле и подвергаемом облучению светом, возникает электрический градиент по направлению светового потока. При этом электроны и дырки, генерируемые фотонами, приобретают импульс и диффундируют вглубь вещества, разделяясь под действием силы Лоренца и генерируя в результате этого ЭДС. 

Такие явления генерации ЭДС могут происходить и в растворах, находящихся в магнитных полях, при протекании в них химических реакций.

 

Эффект Холла

В основе датчиков ЭДС Холла лежит явление искривления пути носителей заряда в полупроводниках, находящихся в магнитном поле. Это явление впервые было открыто американским физиком Эдвином Холлом в 1876 г.

Рассмотрим прямоугольную пластину полупроводника с электропроводностью n-типа, расположенную, как показано на рис. 2.31, а.

  
Рисунок 2.31Схема возникновения ЭДС Холла.

В направлении оси х протекает ток  от внешнего источника. Пластина помещена в магнитное поле , перпендикулярное направлению тока. В отсутствие магнитного поля электроны двигаются в пластине в направлении электрического поля . В магнитном поле электроны отклоняются под действием силы Лоренца:

 

,                                       (2.35)

где е - заряд электрона;

   -индукция магнитного поля, направленного вдоль оси у;  

    - скорость электрона в направлении тока;  

   mn - подвижность электронов.

Эта сила направлена перпендикулярно как направлению магнитного поля, так и направлению тока (вдоль оси Z, рис. 2.31). Поэтому электроны смещаются перпендикулярно направлению их первоначального движения. При условиях, показанных на рис. 2.31, на зажиме А должен быть отрицательный потенциал относительно зажима Б, так как верхняя поверхность полупроводника, к которой отклоняются электроны, будет заряжаться отрицательно, а противоположная поверхность - положительно. Заряды создают в пластине поперечное электрическое поле, названное по имени ученого полем Холла. Процесс образования объемных зарядов у поверхностей прекратится лишь тогда, когда напряженность поля Холла будет полностью компенсировать действие на электроны силы Лоренца. Условие равенства сил, действующих на электрон со сторо­ны электрических и магнитных полей, может быть записано в виде

,                             (2.36)

откуда может быть определено поле Холла

                   (2.37)

или э. д. с. Холла

,                                         (2.38)

где d — толщина пластины (рис. 2.31, б).

Протекающий через образец с шириной b и сечением S ток плот­ностью jx, обусловленный действием электрического поля, связан с концентрацией и скоростью электронов соотношением:

.                       (2.39)

Решая совместно уравнения (2.38) и (2.39), получим

,                         (2.40)

где Rx=1/en - коэффициент Холла, связывающий поперечную раз­ность потенциалов с индукцией магнитного поля. Величина его зави­сит от материала пластины, содержания примесей и температуры.

Из выражения (6) следует, что величина ЭДС Холла зависит от физических свойств материала пластины, от ее размеров, а также, от величины протекающего через нее тока и от воздействующего на этот ток магнитного поля.

Если пластина имеет электропроводность p-типа, то основная часть тока создается дырками, движущимися слева направо, тогда в левой части уравнения (2.47) следует поставить знак плюс. Траектории ды­рок в этом случае будут смещаться вверх, верхняя поверхность будет накапливать положительный заряд и ЭДС Холла будет положитель­ной.

Вывод выражения для ЭДС Холла сделан без учета хаотического теплового движения электронов и их распределения по скоростям. Более строгий расчет дает формулу для коэффициента Холла в полу­проводнике с электропроводностью n-типа и р-типа:

, .                       (2.41)

Для полупроводников, имеющих собственную электропроводность или содержащих носители заряда обоих типов в сравнимых концентра­циях, коэффициент Холла описывается выражением

                       (2.42)

Если концентрации электронов и дырок в образце равны и равны их подвижности, то ЭДС Холла будет равна нулю, так как направле­ние движения дырок противоположно направлению движения электро­нов и электроны и дырки будут смещаться магнитным полем в одну и ту же сторону. В действительности в полупроводниках подвижность электронов больше подвижности дырок, поэтому в собственном полу­проводнике ЭДС Холла соответствует по знаку электронному образ­цу. При переходе от собственной электропроводности к дырочной ЭДС  Холла проходит через нуль и изменяет знак.

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: