Наверх

v 3.15.31
18.07.2015

Эффект холла

Как магнитное поле помогает разгадать знак движущегося заряда?

Вернемся в привычную нам область комнатных температур и ознакомимся еще с одним интересным отличием полупроводников от металлов.

Это отличие состоит в том, что в полупроводниках можно обнаружить электрический ток, образованный как бы движением положительных зарядов, тогда как в металлах ток образуется только отрицательными частицами — электронами.

Прежде чем выяснить, что это за положительные заряды, опишем опыт, который позволяет определить знаки зарядов, образующих электрический ток. Этот опыт был впервые проведен американским физиком Холлом, и поэтому обнаруженный в результате эффект называют эффектом Холла.

Пусть кусок вещества, в котором нужно определить знаки движущихся зарядов, имеет форму бруска — параллелепипеда. Как показано на рисунке 11, брусок снабжен четырьмя электродами — электрическими контактами, к которым можно подсоединить провода. Воспользуемся контактами и соберем две замкнутые электрические цепи. В первичной цепи течет постоянный ток, так как эта цепь содержит батарейку или другой источник электродвижущей силы. Если этот первичный ток переносится положительными зарядами, то они отталкиваются от положительного полюса батареи и двигаются к отрицательному; если же первичный ток создается отрицательными зарядами, то они двигаются в обратную сторону. Направление первичного тока фиксирует включенный в цепь амперметр.

На рисунке 11 показано, что брусок вещества помещен между полюсами постоянного магнита. Вспомните, что происходит с проводником, по которому течет ток, если его поместить в магнитное поле. Он начинает двигаться, если только силовые линии магнитного поля не параллельны проводнику и проводник не закреплен. На этом эффекте основано действие электродвигателей. Проводник в магнитном поле смещается потому, что силы действуют на движущиеся в нем заряды. Эти силы называют силами Лоренца.

Итак, на заряды, движущиеся в бруске, действуют силы Лоренца, стремящиеся отклонить эти заряды в сторону. В какую же сторону будут отклоняться движущиеся положительные заряды? Вам знакомо правило «левой руки», которое позволяет ответить на такой вопрос. Вспомним это правило. Если ладонь левой руки поместить между полюсами магнита так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а вытянутые пальцы расположить по направлению тока, как это показано на рисунке 12, то отогнутый большой палец покажет направление отклонения проводника с током, т. е. направление силы Лоренца.

Правило «левой руки» служит людям уже много лет и в полезности его сомневаться не следует. Тем не менее, нам хочется здесь познакомить вас с другим, более универсальным правилом, которое в физике и технике применяется значительно чаще правила «левой руки». Согласитесь, что легко забыть, какой рукой надо пользоваться, определяя па-правление движения проводника, — правой или левой. Если же перепутать руки и воспользоваться правой рукой вместо левой, то найденное направление движения проводника будет противоположным действительному. Поэтому мы предлагаем вам запомнить другое правило — правило правого винта или буравчика.

Общепринятым стандартом в технике являются болты (винты) и гайки с так называемой правой резьбой. Левая резьба применяется очень редко, лишь в тех случаях, когда это обусловлено особенностями конструкции или функциями, выполняемыми механизмом. Если шляпку правого винта или рукоятку буравчика поворачивать по часовой стрелке, то винт или буравчик ввинчивается, т. е. отодвигается, от руки или отвертки. Такое движение винта с правой резьбой настолько привычно людям, занимающимся техникой, что перепутать или забыть, куда движется винт при вращении его головки, просто невозможно.

Конечно же, настоящий физик знает свойства правого винта не хуже любого техника. Вот почему очень удобно воспользоваться правилом правого винта, или, как чаще говорят, правилом буравчика, для определения направления движения проводника с током в магнитном поле. Для этого надо повернуть рукоятку буравчика от направления тока (движения положительных зарядов) по кратчайшему пути к направлению силовых линий магнитного поля. Эти линии выходят, как вы знаете, из северного полюса магнита N и входят в южный полюс S. На рисунке 13 показан пример, когда такой поворот происходит по направлению движения часовой стрелки. Значит, буравчик ввинчивается и отодвигается от руки. Это движение буравчика и показывает, куда отклоняется проводник с током. Результат естественно совпадает с полученным по правилу «левой руки».

Применяя правило буравчика, легко убедиться, что в пашем опыте положительные заряды, вместо того чтобы двигаться прямо, смещаются к задней грани бруска (рис. 14). А если ток переносится отрицательными зарядами? Не надо забывать, что в этом случае изменяется и направление движения зарядов (при заданном направлении тока) и знак зарядов. Поэтому отрицательные заряды отклоняются также к задней грани бруска. Часть зарядов отклоняется настолько сильно, что попадает на электроды боковых граней и выходит из бруска во вторичную цепь. В результате в этой цепи образуется вторичный ток.

Постарайтесь теперь ответить на вопрос: какое направление будет иметь вторичный ток? Если в первичной цепи двигаются положительные заряды, то они, выходя через заднюю грань, создают во вторичной цепи ток, направление которого показано на рисунке 11. Если же в первичной цепи движутся отрицательные заряды, то они также выходят через заднюю грань, т. е. перемещаются в ту же сторону, что и положительные, а это значит, что создается вторичный ток обратного направления.

Следовательно, определяя по отклонению стрелки амперметра во вторичной цепи направление вторичного тока, мы однозначно можем сказать, какого знака те заряды, которые создают первичный ток. При проведении этого опыта с брусками из полупроводниковых материалов был получен неожиданный результат. Во многих случаях из опыта следовало, что движущиеся в бруске заряды положительны. Как же объяснить этот экспериментальный факт? Ведь свободных положительных зарядов в веществе как будто бы нет! Положительно заряженные ионы кристаллической решетки твердого вещества не могут перемещаться. Отрываться от атомов решетки могут только электроны.

РЕКОМЕНДУЕМ
Просмотров: 2458 | Комментариев: 0 | Дата: 09.04.2014
КОММЕНТАРИИ
avatar
ГЛАВНАЯ
новости
СТАТЬИ
65
СХЕМЫ
0
ВИДЕО
55
КНИГИ
9
ПРОГРАММЫ
7
КОМПАНИИ
12
Рейтинг@Mail.ru
Все права защищены © 2010 - 2017
Сайт разработан
и обслуживается