ما هو تأثير هول في المعادن وأشباه الموصلات

تم تقديم تأثير هول من قبل الفيزيائي الأمريكي إدوين هول في عام 1879. وهو يعتمد على قياس المجال الكهرومغناطيسي. ويسمى أيضًا باسم تأثير القاعة العادي. عندما يكون الموصل الحامل للتيار عموديًا على مجال مغناطيسي ، يتم قياس الجهد المتولد بزاوية قائمة على المسار الحالي. حيث يكون تدفق التيار مشابهًا لتدفق السائل في الأنبوب. أولاً تم تطبيقه في تصنيف العينات الكيميائية. ثانيًا ، كان قابلاً للتطبيق في مستشعر تأثير القاعة حيث تم استخدامه لقياس مجالات التيار المستمر للمغناطيس ، وأين المستشعر تبقى ثابتة.

مبدأ تأثير هول

يُعرَّف تأثير هول على أنه الفرق في الجهد المتولد عبر الموصل الحامل للتيار ، وهو عرضي للتيار الكهربائي في الموصل ومجال مغناطيسي مطبق متعامد مع التيار.

تأثير هول = المجال الكهربائي المستحث / كثافة التيار * المجال المغناطيسي المطبق - (1)

تأثير القاعة

نظرية تأثير هول

يُعرَّف التيار الكهربائي بأنه تدفق الجسيمات المشحونة في وسط موصل. يمكن أن تكون الشحنات المتدفقة إما سالبة الشحنة - الإلكترونات 'e-' / موجبة الشحن - الثقوب '+'.

مثال

ضع في اعتبارك لوحة موصلة رفيعة بطول L وقم بتوصيل طرفي اللوحة ببطارية. حيث يتم توصيل طرف من الطرف الموجب للبطارية إلى أحد طرفي اللوحة وطرف آخر متصل من الطرف السالب للبطارية بطرف آخر للوحة. نلاحظ الآن أن الشحنة السالبة تبدأ حاليًا في التدفق من الشحنة السالبة إلى الطرف الموجب للوحة. بسبب هذه الحركة ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي.

نظرية تأثير القاعة

لورنتز فورس

على سبيل المثال ، إذا وضعنا عاريًا مغناطيسيًا بالقرب من الموصل ، فإن المجال المغناطيسي سوف يزعج المجال المغناطيسي لحاملات الشحن. تُعرف هذه القوة التي تشوه اتجاه حاملات الشحنة بقوة لورنتز.

نتيجة لذلك ، ستتحرك الإلكترونات إلى أحد طرفي اللوحة وستنتقل الثقوب إلى نهاية أخرى من اللوحة. هنا يتم قياس جهد القاعة بين وجهين من الصفائح ذات المقياس المتعدد . يُعرف هذا التأثير أيضًا باسم تأثير هول. حيث يتناسب التيار بشكل مباشر مع الإلكترونات المنحرفة بالتناوب مع فرق الجهد بين كلا الصفيحتين.

أكبر تيار أكبر هو الإلكترونات المنحرفة ، وبالتالي يمكننا ملاحظة فرق الجهد العالي بين الألواح.

يتناسب جهد القاعة بشكل مباشر مع التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي المطبق.

VH = I B / q n d -- ( اثنين )

أنا - التيار المتدفق في المستشعر
ب- قوة المجال المغناطيسي
ف - المسؤول
n - ناقلات الشحن لكل وحدة حجم
د - سماكة المستشعر

اشتقاق معامل القاعة

دع التيار IX هو كثافة التيار ، JX مرات مساحة تصحيح الموصل بالوزن.

IX = JX wt = n q vx w t ---- (3)

وفقًا لقانون أومز ، إذا زاد التيار ، يزداد الحقل أيضًا. الذي يعطى كـ

JX = σ EX ، ---- (4)

حيث σ = موصلية المادة في الموصل.

بالنظر إلى المثال أعلاه لوضع شريط مغناطيسي الزاوية اليمنى للموصل ، نعلم أنه يعاني من قوة لورنتز. عندما يتم الوصول إلى حالة مستقرة ، لن يكون هناك تدفق للشحن في أي اتجاه يمكن تمثيله على أنه ،

EY = Vx Bz ، ----- (5)

EY - المجال الكهربائي / مجال القاعة في اتجاه y

Bz - المجال المغناطيسي في اتجاه z

VH = - ∫0w EY day = - Ey w ———- (6)

VH = - ((1 / n q) IX Bz) / t ، ———– (7)

حيث RH = 1 / nq ———— (8)

وحدات تأثير القاعة: م 3 / ج

التنقل في القاعة

µ ص أو µ n = σ n R H ———— (9)

يتم تعريف تنقل القاعة على أنه µ p أو µ n هو التوصيل بسبب الإلكترونات والثقوب.

كثافة التدفق المغناطيسي

يتم تعريفه على أنه مقدار التدفق المغناطيسي في منطقة يتم أخذ زوايا قائمة لاتجاه التدفق المغناطيسي.

ب = VH د / RH أنا ——– (1 0)

تأثير هول في المعادن وأشباه الموصلات

وفقًا للمجال الكهربائي والمجال المغناطيسي ، فإن حاملات الشحنة التي تتحرك في الوسط تتعرض لبعض المقاومة بسبب الانتثار بين المواد الحاملة والشوائب ، جنبًا إلى جنب مع المواد الحاملة وذرات المواد التي تخضع للاهتزاز. ومن ثم يتشتت كل ناقل ويفقد طاقته. والتي يمكن تمثيلها بالمعادلة التالية

تأثير القاعة في المعادن وأشباه الموصلات

متخلفين و = - م / ت ، ----- ( أحد عشر )

ر = متوسط ​​الوقت بين أحداث التشتت

وفقًا لقانون نيوتن للثواني ،

M (dv / dt) = (q (E + v * B) - m v) / t —— (1 2)

م = كتلة الناقل

عند حدوث حالة مستقرة ، سيتم إهمال المعلمة 'v'

إذا كان 'B' على طول الإحداثي z فيمكننا الحصول على مجموعة من المعادلات 'v'

vx = (qT Ex) / m + (qt BZ vy) / m ———– (1 3)

vy = (qT Ey) / م - (qt BZ vx) / م ———— (1 4)

vz = qT إز / م ---- ( خمسة عشر )

نحن نعرف ذلك Jx = n q vx ————— (1 6)

بالتعويض في المعادلات أعلاه يمكننا تعديلها على النحو التالي

Jx = (σ / (1 + (wc t) 2)) (Ex + wc t Ey) ———– (1 7)

J y = (σ * (Ey - wc t Ex) / (1 + (wc t) 2 ) ———- (1 8)

Jz = عز ———— (1 9)

نحن نعرف ذلك

σ ن q2 ر / م ---- (عشرون)

σ = الموصلية

ر = وقت الاسترخاء

و

مرحاض q بيسة / م ----- ( واحد وعشرين )

wc = تردد السيكلوترون

يتم تعريف تردد السيكلوترون كما في تردد المجال المغناطيسي لدوران الشحنة. وهي قوة المجال.

وهو ما يمكن تفسيره في الحالات التالية لمعرفة ما إذا كانت ليست قوية و / أو 't' قصيرة

الحالة (ط): إذا wc t<< 1

يشير إلى ضعف حد المجال

الحالة (ii): إذا wc t >> 1

يشير إلى حد مجال قوي.

مزايا

تشمل مزايا تأثير القاعة ما يلي.

• سرعة التشغيل عالية أي 100 كيلو هرتز
• حلقة العمليات
• القدرة على قياس التيار الكبير
• يمكنه قياس السرعة الصفرية.

سلبيات

تشمل عيوب تأثير القاعة ما يلي.

• لا يمكن قياس تدفق التيار أكبر من 10 سم
• هناك تأثير كبير لدرجة الحرارة على الناقلات ، والتي تتناسب طرديًا
• حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي ، يلاحظ وجود جهد صغير عندما تكون الأقطاب في المنتصف.

تطبيقات تأثير هول

تشمل تطبيقات تأثير القاعة ما يلي.

• سنور المجال المغناطيسي
• تستخدم في الضرب
• لقياس التيار المباشر ، فإنه يستخدم Hall Effect Tong Tester
• يمكننا قياس زوايا الطور
• يمكننا أيضا قياس محول الإزاحة الخطية
• دفع المركبة الفضائية
• استشعار امدادات الطاقة

وهكذا ، فإن تأثير هول يعتمد على الكهرومغناطيسي المبدأ. هنا رأينا اشتقاق معامل هول ، وكذلك تأثير هول في المعادن و أشباه الموصلات . هنا سؤال ، كيف يتم تطبيق Hall Effect في عملية Zero speed؟