Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Электроны

телей, характерного для эффекта Холла и гальваномагниторезистивного эффекта. Благодаря движению в одном направлении но­ сители могут быть разделены при помощи магнитного поля, в котором положительно заряженные дырки и отрицательно заря­ женные электроны отклоняются в противоположные стороны. Та­ кое разделение носителей, когда в веществе присутствуют носи­ тели обоих типов, или же просто отклонение носителей, когда присутствуют только носители одного типа, порождает эффект Нернста, которому соответствуют напряжение Нернста (рис. 17.11).

Электрическое поле Нернста, направленное перпендикулярно направлениям теплового потока и магнитного поля, имеет напря­ женность (в вольтах на единицу расстояния по толщине тела), которая выражается следующим соотношением:

где Кп — коэффициент Нернста для данного вещества; № — плот­ ность теплового потока в калориях на единицу площади и В — маг­ нитная индукция.

17.25. АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ НЕРНСТА

Если в веществе, помещенном в магнитное поле, имеются тепловые потоки, то при наличии носителей возникает напряже­ ние Нернста. Вследствие того что это напряжение всегда направ­ лено в одну и ту же сторону независимо от типа носителя, нельзя выделить положительный и отрицательный варианты эффекта Нернста. В то же время в эффекте Риги — Ледюка, связанном с эффектом Нернста (см. следующий параграф), возникает темпе­ ратурный градиент, направление которого зависит от типа имею­ щихся носителей.

Применение термина «адиабатический» для описания усло­ вий, когда существует поток тепла, может на первый взгляд показаться необоснованным. Однако здесь имеется в виду отсутствие теплового потока под влиянием эффекта Риги — Ле­ дюка, который устанавливается в направлении, перпендикуляр­ ном исходному тепловому потоку.

Рис. 17.12. Адиабатический по­ ложительный эффект Нернста. Если носителями тепла являют­ ся только дырки, то электриче­ ское и температурное поля на­ правлены в одну и ту же сторону (обозначения для дырок те же, что и на рис. 17.2)

Существует интересная аналогия между эффектами Холла и Нернста. В эффекте Холла направление напряжения Холла зави­ сит от типа присутствующих носителей, тогда как направление температурного градиента Эттингсгаузена всегда остается одним и тем же. В эффекте Нернста, наоборот, напряжение Нернста всегда имеет одно и то же направление, тогда как направление температурного градиента Риги — Ледюка зависит от типа при­ сутствующих носителей.

Поскольку напряжение Нернста определяется неравномер­ ностью распределения носителей, оно может поддерживаться внутри тела только за счет энергии, подаваемой от источника, внешнего по отношению к этому телу. Энергия поступает извне под влиянием разности температур, создающей поток тепла через вещество (рис. 17.12).

17.26. ЭФФЕКТ РИГИ — ЛЕДЮКА

Эффект Риги — Ледюка состоит в том, что наряду с напряже­ нием Нернста устанавливается температурный градиент при условиях, иллюстрируемых на рис. 17.11 и 17.12. Эти условия определяются типом имеющихся в веществе носителей и направ­ лением их движения в магнитном поле. Однако общий принцип заключается в движении горячих носителей от источников тепла, а холодных носителей — к этим источникам. Горячие положи­ тельные носители отклоняются в одном направлении, а горячие отрицательные носители — в другом, тогда как холодные поло­ жительные носители движутся вместе с горячими отрицательны­ ми носителями, а холодные отрицательные носители — вместе с горячими положительными носителями. Поскольку горячие носи­ тели движутся быстрее, чем холодные, движение первых играет доминирующую роль.

Если в веществе имеются носители только одного типа, то их движение создает поперечный температурный градиент, обуслов­ ленный продольным тепловым потоком. Если же имеются носите­ ли обоих типов, то горячие дырки отклоняются в направлении, противоположном направлению отклонения горячих электронов,

и в случае, когда действия этих носителей эквивалентны, темпе­ ратурного градиента Риги — Ледюка не возникает.

Если повышать температуру вещества р-типа, то при некото­ ром значении температуры это вещество превращается в собст­ венный полупроводник. Поскольку электроны обычно имеют большую подвижность, чем дырки, то при высоких температурах влияние электронов преобладает. В таких веществах температур­ ный градиент Риги — Ледюка при низких температурах ориенти­ рован в одном направлении, а при высоких температурах изме­ няет ориентацию на противоположную.

17.27. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ХОЛЛА

Изотермические эффекты Холла, отрицательный (рис. 17.13) и положительный (рис. 17.14), представляют собой сочетания адиабатического эффекта Холла с адиабатическим эффектом Нернста. Как показано схематически на рис. 17.15, поток тепла, порождаемый эффектом Эттингсгаузена, создает продольное напряжение Нернста, противодействующее исходному вынуждаю­ щему полю. Продольное напряжение Нернста увеличивает сопро­ тивление проводника, уменьшает электрический ток и уменьшает напряжение Холла.

Устройство, показанное на рис. 17.13, вместо изолирующих пластин (как на рис. 17.8 и 17.9) снабжено поглотителем тепла.

Электроны

Рис. 17.13. Изотермический отрицательный эффект Холла. Если температурный градиент, поддерживаемый в результате смещения электронов, уменьшается из-за наличия поглотителя тепла, то это приводит к изменению градиента потенциала, обусловленного силами Лоренца (обозначения для электронов те же, что и на рис. 17.2)

Рис. 17.14. Изотермический положительный эффект Холла. Если температурный градиент, поддерживаемый в результате смещения дырок, уменьшается из-за наличия поглотителя тепла, то это приводит к изменению градиента потенциала, обусловленного силами Лореица (обозначения для дырок те же, что и на рис. 17.2)

Рис. 17.15. Продольное напряжение Нернста. Стрелками показаны различные силы, действующие на электрон-носитель при его движении в проводящем веществе, помещенном в магнитное поле

который допускает поток тепла в результате эффекта Эттингсгаузена, но не допускает течение тока в результате эффекта Холла.

17.28. ТОК ХОЛЛА

Если имеется путь проведения электрического тока, то напря­ жение Холла будет действовать как обычная электродвижущая сила, заставляющая течь ток в направлении, перпендикулярном исходному току. Этот добавочный ток получил название тока

Холла.

Ток Холла, порождаемый исходным током под влиянием внешнего магнитного поля, сам течет в этом же магнитном поле и испытывает действие сил Лоренца в соответствии с теми же зако­ номерностями. На рис. 17.16 приведена схематическая иллюстра­ ция процесса, в результате которого ток Холла создает продольное напряжение Холла, непосредственно противодействующее исход­ ному вынуждающему полю. Действие этой противоэлектродвижущей силы Холла приводит к увеличению сопротивления по отноше­ нию к исходной электродвижущей силе, что, в свою очередь, уменьшает исходный ток и соответствующее напряжение Холла. Такое изменение сопротивления называется сопротивлением Хол­ ла. Оно отличается по происхождению от магниторезистивного сопротивления и достигает своего максимума при условиях, кото­ рые создаются в приборе Корбино, описанном в § 17.29.

Рис. 17.16. Продольное напряжение Холла. Под действием приложенного элек­ трического поля электроны движутся в проводнике, создавая электрический ток. Если этот проводник помещен в магнитное поле, то в нем генерируется напряжение Холла. В случае, когда под влиянием напряжения Холла может течь ток Холла, этот ток также взаимодействует с магнитным полем, создаваявторичное, или продольное,, напряжение Холла, противодействующее исходному приложенному электрическому полю

Ток Холла также испытывает резистивное сопротивление, в результате чего генерируется напряжение, противодействующее напряжению Холла. Если имеется путь для течения тока Холла, то в гальваномагнитном веществе устанавливаются новые усло­ вия равновесия с измененными значениями всех переменных — напряжений, токов, температурных градиентов, тепловых пото­ ков и т. д.

17.29. ПРИБОР КОРБИНО

Если исходное напряжение Холла шунтируется накоротко и генерируется вторичный ток, направленный перпендикулярно исходному, то возникает новое продольное напряжение Холла, противодействующее исходному току. Эта противоэлектродвижущая сила Холла непосредственно противодействует приложенно­ му напряжению. Общий результат состоит в увеличении эффек­ тивного сопротивления исходной электрической цепи.

Для того чтобы обеспечить полное шунтирование напряжения Холла, можно воспользоваться геометрической структурой, по­ лучившей название диска Корбино (рис. 17.17). Здесь вторичный ток циркулирует по окружному пути вследствие того, что исходный ток течет по радиальному пути. Изменение сопротивления про­ порционально квадрату напряженности магнитного поля для от-