Ефект Голла або ефе́кт Хо́лла — явище, при якому виникає поперечна різниця потенціалів під час розміщення провідника з постійним струмом у магнітному полі. Відкритий Едвіном Голлом у 1879 році в тонких пластинах золота.

Властивості У найпростішому розгляді ефект Голла має такий вигляд. Нехай через металевий брусок у слабкому магнітному полі протікає електричний струм під дією напруженості . Магнітне поле буде відхиляти носії заряду (для визначеності електрони) від їхнього руху вздовж або проти електричного поля до однієї з граней бруса.

Таким чином, сила Лоренца призведе до накопичення негативного заряду біля однієї грані бруса та позитивного – біля протилежної грані. Накопичення заряду продовжуватиметься доти, поки електричне поле зарядів , яке виникло під дією магнітного поля, не врівноважить магнітну складову сили Лоренца:

Швидкість електронів можна виразити через густину струму:

де — концентрація носіїв заряду. Тоді

Коефіцієнт пропорційності між та називається коефіцієнтом Голла. У такому наближенні знак коефіцієнта Голла залежить від знаку носіїв заряду, що дозволяє визначати їхній тип для великого числа металів. Для деяких металів (наприклад, таких як свинець, цинк, залізо, кобальт, вольфрам) у сильних полях спостерігається позитивний заряд , що пояснюється в напівкласичній і квантовій теоріях твердого тіла.

Аномальний ефект Голла Випадок появи напруги (електричного поля) у зразку, перпендикулярної напрямку струму, який пропускається через зразок, що спостерігається під час відсутності прикладеного постійного магнітного поля (тобто, явище повністю аналогічне ефекту Голла, але спостерігається без зовнішнього постійного магнітного поля), називається аномальним ефектом Голла.

Необхідною умовою для спостереження аномального ефекту Голла є порушення інваріантності відносно обернення часу в системі. Наприклад, аномальний ефект Голла може спостерігатися у зразках з намагніченістю. Квантовий ефект Голла

У сильних магнітних полях в плоскому провідникові (тобто, у квазідвомірному електронному газі) в системі починають проявлятися квантові ефекти, що призводить до появи квантового ефекту Голла: квантування голлівського опору. У ще сильніших магнітних полях проявляється дробовий квантовий ефект Голла, пов'язаний з кардинальною перебудовою внутрішньої структури двомірної електронної рідини.

Спіновий ефект Голла У випадку відсутності магнітного поля в немагнітних провідниках може спостерігатися відхилення носіїв заряду з протилежними напрямами спінів у різні сторони перпендикулярно електричному полю. Це явище, що дістало назву спінового ефекту Голла, було теоретично передбачене Дьяконовим і Перелем у 1971 р. Розрізняють зовнішній і внутрішній спінові ефекти. Перший з них пов'язаний зі спін-залежним розсіюванням, а другий – зі спін-орбітальною взаємодією.

Магнетоопір

Едвін Голл проводив досліди з метою виявлення зростання опору провідника у магнітному полі, однак, у слабких полях не зареєстрував такого зростання. Воно не випливає також з теорії металів Друде, розрахунки за якою наведені вище. Однак, магнітоопір достатною мірою проявляється у сильних магнітних полях при строгіших розрахунках.

Застосування

Ефект Голла, у деяких випадках, дозволяє визначити тип носіїв заряду (електронний або дірковий) у металі або напівпровіднику, що робить його придатним для дослідження властивостей напівпровідників. На основі ефекту Голла функціонують сенсори Голла: прилади, що вимірюють напруженість магнітного поля. Сенсори Голла набули поширення у безколекторних, або вентильних, електродвигунах (сервомоторах). Сенсори закріплюються безпосередньо на статорі двигуна та виступають в ролі датчика положення ротора, що реалізує зворотний зв'язок з положення ротора. На основі ефекту Голла працюють деякі види іонних реактивних двигунів.

Розщеплені холлівські структури

Значна зацікавленість останнім часом проявляється до сенсорів на розщеплених холлівських структурах (РХС). На відміну від традиційних елементів Голла з двома потенціальними виходами та симетричною структурою, РХС передбачають розвиненішу топологію на базі декількох напівелементів Голла. На основі РХС формують різноманітні сенсори для вимірювання просторового розподілу магнітного поля, зокрема, двокоординатні 2D та трикоординатні 3D зонди. Перевагою РХС є можливість підвищення просторової роздільної здатності вимірювання ортогональних проєкцій вектора індукції магнітного поля та розширення функціональних можливостей.

Див. також Альтермагнетизм Двигун на ефекті Холла Квантовий ефект Холла Магнетоопір Поперечна магнітопровідність Розщеплені холлівські структури

Посилання

Література