Tajemství překřížených proudů - Hallův efekt

Na konci minulého století objevil mladý americký student fyziky Edwin Hall objev, který jeho jméno uvedl v učebnicích fyziky. Provedl jednoduchý „studentský“ experiment - studoval šíření proudu v tenké kovové desce umístěné mezi póly silného elektromagnetu. Studenti všech univerzit absolvují laboratorní praxi, kde se na jednoduchých příkladech učí dovednosti experimentu. Takže to bylo tentokrát. Pokorný student si nedokázal představit, že jeho prostá zkušenost by vedla k lavině výzkumu, z nichž některé budou označeny nejctivější vědeckou cenou - Nobelovou cenou.

Zařízení, s nímž Hall pracoval, sestávalo ze dvou křížově uspořádaných elektrických obvodů - takto svázaly krabičku sladkostí stuhou. Řetězy se lišily tím, že jedna z nich obsahovala elektrickou baterii a proud z ní prošel podél desky, druhý příčný, neměl žádné zdroje proudu a jednoduše připojoval okraje desky.

Jak se očekávalo, v případě, kdy byl elektromagnet vypnut, přístroje zaznamenávaly proudový tok pouze podél desky - v obvodu s baterií - a jeho absence v „prázdném“ příčném obvodu. Není divu. Jakmile se však elektromagnet zapnul, v příčném obvodu se sám objevil elektrický proud, jako by z ničeho nic. Bylo to zajímavé, ale nebyl tu žádný zázrak - vysvětlení bylo nalezeno poměrně rychle. Elektrony pohybující se v podélném řetězci jsou ovlivněny Lorentzovou silou, dobře známou ze školní učebnice, která vychyluje elektrony v příčném směru, který generoval malý proud v příčném řetězci - vše je elementárně jednoduché.

Po více než půl století, napůl zapomenuté, tento jev zůstal v zadní části fyzikální vědy. Vykopali to v archivech odborníky na mikroelektroniku. Nejprve se ukázalo, že pokud by byla hrubá měřicí zařízení Hallova času nahrazena moderními, pak by jím objevený fenomén mohl být použit k výpočtu počtu nabitých částic, jejichž pohyb generuje elektrický proud, což je velmi důležité pro konstruktéry nízkošumových tranzistorů a dalších vysoce citlivých mikroelektronických zařízení pracujících s velmi slabými proudy a magnetická pole.

Hallův efekt byl pečlivě prostudován, aniž by se snažil zlepšit přesnost. Třetí, čtvrté, páté desetinné místo na stupnici měřicích přístrojů ... A tady se na první pohled objevily úžasné jednoduše neuvěřitelné jevy.

První úžasný výsledek byl získán před dvaceti lety, na konci sedmdesátých let, při experimentech s polovodičovými obvody v silném magnetickém poli při velmi nízkých teplotách, jen pár stupňů od „absolutní nuly“ - 273 stupňů Celsia, když látka tak zamrzla, že přestat, všechny molekulární pohyby zamrznou. Pokud se tedy při běžných teplotách blízkých pokojové teplotě elektrický odpor v obvodu s „Hallovým proudem“ postupně zvyšuje se zvyšujícím se magnetickým polem, pak se blíží nulové teplotě z nějakého důvodu se mění skoky - jako by hladká cesta, po které se částice proudu pohybují, najednou vystřídala dlážděná dlažba s hlubokými hrboly. Hladké křivky, které zapisovatelé napsali, jsou občas nahrazeny „žebříkem“, jehož výška kroků byla rovná nějaké konstantě dělená celými čísly n = 1, 2, 3 atd.

A co je ještě překvapivější - v každé fázi odpor v podélném proudovém obvodu klesne na nulu, to znamená, že pro podélný proud se látka stává supravodičem - elektrony se valí bez jakéhokoli odporu, ale na křižovatkách, při přechodu z jednoho stupně do druhého, odpor prudce vyskočí a supravodivost okamžitě zmizí.Všechno to vypadalo jako nějaký zmatek - jak se říká, v Oblonském domě bylo vše smíšené!

Jak vysvětlit takové podivné chování překřížených proudů? Proč se chovají úplně jiným způsobem? Elektrodynamika se ukázala jako bezmocná před touto hádankou ... Jsme zvyklí na to, že záhadné jevy se vyskytují ve složitých experimentech s elementárními částicemi nebo hluboko v prostoru, pokud jde o černé díry, explodující galaxie a další objekty, které ohromují naši fantazii, a tady jsou jen experimenty s odporem a proudy. Po a přes ošetřovanou oblast a - na vás!

V. Barashenkov, E. Kapustsik