IPhO 1985 · Theory problem 2
Hall effect in an InSb bar
In a long bar having the shape of a rectangular parallelepiped with sides \(a\), \(b\), and \(c\) (\(a\gg b\gg c\)), made from the semiconductor InSb flows a current \(I\) parallel to the edge \(a\). The bar is in an external magnetic field \(B\) which is parallel to the edge \(c\). The magnetic field produced by the current \(I\) can be neglected. The current carriers are electrons. The average velocity of electrons in a semiconductor in the presence of an electric field only is \(v=\mu E\), where \(\mu\) is called mobility. If the magnetic field is also present, the electric field is no longer parallel to the current. This phenomenon is known as the Hall effect.
a) Determine what the magnitude and the direction of the electric field in the bar is, to yield the current described above.
b) Calculate the difference of the electric potential between the opposite points on the surfaces of the bar in the direction of the edge \(b\).
c) Find the analytic expression for the DC component of the electric potential difference in case b) if the current and the magnetic field are alternating (AC); \(I=I_0\sin\omega t\) and \(B=B_0\sin(\omega t+\delta)\).
d) Design and explain an electric circuit which would make possible, by exploiting the result c), to measure the power consumption of an electric apparatus connected with the AC network.
Data: The electron mobility in InSb is \(7.8\ \mathrm{m^2T/Vs}\), the electron concentration in InSb is \(2.5\cdot10^{22}\ \mathrm{m^{-3}}\), \(I=1.0\ \mathrm A\), \(B=0.10\ \mathrm T\), \(b=1.0\ \mathrm{cm}\), \(c=1.0\ \mathrm{mm}\), \(e_0=-1.6\cdot10^{-19}\ \mathrm{As}\).
Official English text of the problem.
Answers
Choose right-handed axes with \(+\hat{\mathbf x}\) along the conventional current and \(+\hat{\mathbf z}\) along the magnetic field. Let \(e=-e_0>0\), let \(n\) be the electron concentration, and define the Hall voltage as \[ U_H=V(y=+b/2)-V(y=-b/2). \]
-
a) The electric field is \[ \boxed{\mathbf E=\frac{I}{nebc\mu}\hat{\mathbf x} -\frac{IB}{nebc}\hat{\mathbf y} =(3.2\hat{\mathbf x}-2.5\hat{\mathbf y})\ \mathrm{V\,m^{-1}}.} \] Its magnitude is \(\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}\). It is perpendicular to \(\mathbf B\) and tilted through \[ \boxed{\theta=\tan^{-1}(\mu B)=38^\circ} \] from the current direction toward \(-\hat{\mathbf y}\), the direction of \(\mathbf j\times\mathbf B\).
-
b) \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}=2.5\times10^{-2}\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}.} \] The \(+y\) face is at higher potential.
-
c) \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}}=\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \]
-
d) Use a series current coil to produce \(B(t)=k_I i_L(t)\), and drive the Hall bar through a resistive voltage-sensing branch so that \(I_H(t)=k_Uu(t)\). An averaging voltmeter across the \(b\)-faces then reads \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}P,\qquad P=U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi.} \] Calibrate its scale directly in watts.
Solution
We consider the uniform central region of the long bar, neglecting contact effects and the magnetic field generated by its current. The transverse faces are open-circuit, so there is no steady transverse current.
For numerical calculations, the mobility is interpreted as \(7.8\ \mathrm{m^2/(V\,s)}\), as required by \(v=\mu E\); the unit \(\mathrm{m^2T/Vs}\) given in the data is dimensionally inconsistent with this relation.
a) Magnitude and direction of the electric field
The current density and electron drift velocity are related by \[ \mathbf j=-ne\mathbf v_e. \] Since the cross-sectional area is \(bc\), \[ \mathbf j=\frac{I}{bc}\hat{\mathbf x}, \qquad \mathbf v_e=-v_d\hat{\mathbf x}, \qquad v_d=\frac{I}{nebc}. \]
The given mobility law relates speed to field magnitude. In vector form, electrons drift opposite to the electric field when no magnetic field is present.
In the usual isotropic mobility model, collisions exert a mean resisting force \(-e\mathbf v_e/\mu\). The steady force balance in both fields is therefore \[ 0=-e\left(\mathbf E+\mathbf v_e\times\mathbf B\right) -\frac{e}{\mu}\mathbf v_e. \] Consequently, \[ \mathbf E=-\frac{\mathbf v_e}{\mu}-\mathbf v_e\times\mathbf B. \]
With \(\mathbf B=B\hat{\mathbf z}\), \[ \mathbf v_e\times\mathbf B =(-v_d\hat{\mathbf x})\times(B\hat{\mathbf z}) =v_dB\hat{\mathbf y}, \] so \[ \boxed{\mathbf E=\frac{v_d}{\mu}\hat{\mathbf x} -v_dB\hat{\mathbf y}.} \]
The longitudinal component maintains the drift against collisions. The transverse component balances the magnetic force. In particular, the magnetic force initially pushes electrons toward the \(-y\) face; their accumulation produces the required field in the \(-y\) direction.
Numerically, \[ bc=(1.0\times10^{-2})(1.0\times10^{-3}) =1.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^2}, \] \[ v_d= \frac{1.0} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-5})} =25\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Thus \[ E_x=\frac{25}{7.8}=3.2\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_y=-25(0.10)=-2.5\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_z=0. \]
The magnitude is \[ E=\sqrt{E_x^2+E_y^2} =\frac{I}{nebc\mu}\sqrt{1+(\mu B)^2} =\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}. \] The angle from \(+\hat{\mathbf x}\) toward \(-\hat{\mathbf y}\) satisfies \[ \tan\theta=\frac{|E_y|}{E_x}=\mu B=0.78, \] giving \[ \boxed{\theta=38^\circ}. \]
b) Transverse potential difference
Choose opposite points on the two \(b\)-faces at the same longitudinal coordinate. Since \(\mathbf E=-\boldsymbol{\nabla}V\), \[ U_H=-\int_{-b/2}^{b/2}E_y\,dy =-E_yb=v_dBb. \] Substituting the drift speed gives \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}.} \]
Numerically, \[ U_H= \frac{(1.0)(0.10)} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-3})} =\boxed{0.025\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}}. \]
The \(-y\) face accumulates electrons and is at lower potential; the \(+y\) face is at higher potential.
c) DC component for alternating current and magnetic field
Assume quasistatic operation: the electron drift and Hall charge distribution follow the applied signals sufficiently rapidly, and inductive pickup in the voltage leads is negligible. The instantaneous Hall voltage is then \[ U_H(t)=\frac{I(t)B(t)}{nec} =\frac{I_0B_0}{nec}\sin\omega t\,\sin(\omega t+\delta). \]
Using \[ \sin A\sin B=\frac12\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right], \] we obtain \[ U_H(t)=\frac{I_0B_0}{2nec} \left[\cos\delta-\cos(2\omega t+\delta)\right]. \]
The second term averages to zero over a cycle. Hence \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}} =\overline{U_H} =\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \] Equivalently, \[ \overline{U_H} =\frac{I_{\mathrm{rms}}B_{\mathrm{rms}}}{nec}\cos\delta. \]
The output contains a DC component and a ripple at twice the applied frequency. Its DC component vanishes when the two inputs are in quadrature.
d) Circuit for measuring AC power
The result in part c) makes the Hall element a multiplier: its transverse voltage is proportional to the product of its longitudinal current and the magnetic field.
A suitable circuit has these connections:
-
Connect a field coil in series with the apparatus. Place the Hall bar inside the coil, with its \(c\)-direction parallel to the field. Use a linear, preferably air-cored coil, so that \[ B(t)=k_I i_L(t), \] where \(i_L(t)\) is the apparatus current and \(k_I\) is the coil’s field constant.
-
Connect a separate branch across the AC network, consisting of a large noninductive resistor \(R\) in series with the Hall bar’s two longitudinal end contacts. The bar’s longitudinal resistance follows from part a): \[ r_H=\frac{E_xa}{I_H}=\frac{a}{ne\mu bc}. \] Thus, with negligible branch reactance, \[ I_H(t)=\frac{u(t)}{R+r_H}=k_Uu(t). \] Choosing \(R\gg r_H\) gives \(k_U\simeq1/R\) and limits the sensing current.
-
Connect opposite Hall contacts on the \(b\)-faces, at the same longitudinal position, to a high-input-impedance averaging voltmeter. A buffered low-pass filter followed by a DC meter is also suitable. Average over many AC cycles.
Neglect the field coil’s voltage drop and the loading of the voltage-sensing branch. Then \(u(t)\) is also the apparatus voltage, and \[ U_H(t)=\frac{I_H(t)B(t)}{nec} =\frac{k_Uk_I}{nec}\,u(t)i_L(t). \] Its average is therefore \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}\, \overline{u(t)i_L(t)} =\frac{k_Uk_I}{nec}P.} \]
For sinusoidal operation, write \[ u(t)=U_0\sin\omega t,\qquad i_L(t)=I_{L0}\sin(\omega t-\varphi). \] Then \[ P=\frac{U_0I_{L0}}2\cos\varphi =U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi. \] The meter consequently measures the average power consumed, including the power-factor dependence. Its watt calibration is \[ \boxed{P=\frac{nec}{k_Uk_I}\,\overline{U_H}.} \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1985 · Theorieaufgabe 2
Hall-Effekt in einem InSb-Stab
In einem langen Stab aus dem Halbleiter InSb, der die Form eines Quaders mit den Kantenlängen \(a\), \(b\) und \(c\) (\(a\gg b\gg c\)) hat, fließt ein Strom \(I\) parallel zur Kante \(a\). Der Stab befindet sich in einem äußeren Magnetfeld \(B\), das parallel zur Kante \(c\) gerichtet ist. Das vom Strom \(I\) erzeugte Magnetfeld kann vernachlässigt werden. Die Ladungsträger sind Elektronen. Die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen in einem Halbleiter beträgt bei alleiniger Anwesenheit eines elektrischen Feldes \(v=\mu E\), wobei \(\mu\) als Beweglichkeit bezeichnet wird. Ist zusätzlich ein Magnetfeld vorhanden, so ist das elektrische Feld nicht mehr parallel zum Strom gerichtet. Dieses Phänomen ist als Hall-Effekt bekannt.
a) Bestimmen Sie den Betrag und die Richtung des elektrischen Feldes im Stab, das den oben beschriebenen Strom hervorruft.
b) Berechnen Sie die elektrische Potentialdifferenz zwischen gegenüberliegenden Punkten auf den Oberflächen des Stabes in Richtung der Kante \(b\).
c) Bestimmen Sie den analytischen Ausdruck für den Gleichspannungsanteil der elektrischen Potentialdifferenz aus Fall b), wenn der Strom und das Magnetfeld zeitlich alternieren (AC); \(I=I_0\sin\omega t\) und \(B=B_0\sin(\omega t+\delta)\).
d) Entwerfen und erläutern Sie eine elektrische Schaltung, mit der sich unter Ausnutzung des Ergebnisses aus c) die Leistungsaufnahme eines an das Wechselstromnetz angeschlossenen elektrischen Geräts messen lässt.
Gegeben: Die Elektronenbeweglichkeit in InSb beträgt \(7.8\ \mathrm{m^2T/Vs}\), die Elektronenkonzentration in InSb beträgt \(2.5\cdot10^{22}\ \mathrm{m^{-3}}\), \(I=1.0\ \mathrm A\), \(B=0.10\ \mathrm T\), \(b=1.0\ \mathrm{cm}\), \(c=1.0\ \mathrm{mm}\), \(e_0=-1.6\cdot10^{-19}\ \mathrm{As}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Wir wählen ein rechtshändiges Koordinatensystem mit \(+\hat{\mathbf x}\) in technischer Stromrichtung und \(+\hat{\mathbf z}\) in Richtung des Magnetfeldes. Es sei \(e=-e_0>0\), \(n\) sei die Elektronenkonzentration, und die Hall-Spannung sei definiert als \[ U_H=V(y=+b/2)-V(y=-b/2). \]
-
a) Das elektrische Feld ist \[ \boxed{\mathbf E=\frac{I}{nebc\mu}\hat{\mathbf x} -\frac{IB}{nebc}\hat{\mathbf y} =(3.2\hat{\mathbf x}-2.5\hat{\mathbf y})\ \mathrm{V\,m^{-1}}.} \] Sein Betrag ist \(\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}\). Es steht senkrecht auf \(\mathbf B\) und ist gegenüber der Stromrichtung um den Winkel \[ \boxed{\theta=\tan^{-1}(\mu B)=38^\circ} \] in Richtung \(-\hat{\mathbf y}\), also in Richtung von \(\mathbf j\times\mathbf B\), geneigt.
-
b) \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}=2.5\times10^{-2}\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}.} \] Die \(+y\)-Fläche liegt auf höherem Potential.
-
c) \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}}=\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \]
-
d) Eine in Reihe geschaltete Stromspule erzeugt \(B(t)=k_I i_L(t)\), und der Hall-Stab wird über einen ohmschen Spannungsmesszweig so gespeist, dass \(I_H(t)=k_Uu(t)\) gilt. Ein mittelwertbildendes Voltmeter zwischen den \(b\)-Flächen zeigt dann \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}P,\qquad P=U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi.} \] Seine Skala wird direkt in Watt kalibriert.
Lösung
Wir betrachten den homogenen mittleren Bereich des langen Stabes und vernachlässigen Kontakteffekte sowie das durch seinen Strom erzeugte Magnetfeld. Die quer zur Stromrichtung liegenden Seitenflächen sind elektrisch offen, sodass kein stationärer Querstrom fließt.
Für die numerischen Berechnungen wird die Beweglichkeit als \(7.8\ \mathrm{m^2/(V\,s)}\) interpretiert, wie es \(v=\mu E\) erfordert; die in den Angaben genannte Einheit \(\mathrm{m^2T/Vs}\) ist mit dieser Beziehung dimensionsmäßig nicht vereinbar.
a) Betrag und Richtung des elektrischen Feldes
Die Stromdichte und die Driftgeschwindigkeit der Elektronen hängen zusammen gemäß \[ \mathbf j=-ne\mathbf v_e. \] Da die Querschnittsfläche \(bc\) beträgt, gilt \[ \mathbf j=\frac{I}{bc}\hat{\mathbf x}, \qquad \mathbf v_e=-v_d\hat{\mathbf x}, \qquad v_d=\frac{I}{nebc}. \]
Das angegebene Beweglichkeitsgesetz verknüpft den Geschwindigkeitsbetrag mit dem Feldbetrag. In vektorieller Form driften die Elektronen bei Abwesenheit eines Magnetfeldes entgegen der Richtung des elektrischen Feldes.
Im üblichen isotropen Beweglichkeitsmodell bewirken Stöße eine mittlere bremsende Kraft \(-e\mathbf v_e/\mu\). Das stationäre Kräftegleichgewicht in beiden Feldern lautet daher \[ 0=-e\left(\mathbf E+\mathbf v_e\times\mathbf B\right) -\frac{e}{\mu}\mathbf v_e. \] Daraus folgt \[ \mathbf E=-\frac{\mathbf v_e}{\mu}-\mathbf v_e\times\mathbf B. \]
Mit \(\mathbf B=B\hat{\mathbf z}\) gilt \[ \mathbf v_e\times\mathbf B =(-v_d\hat{\mathbf x})\times(B\hat{\mathbf z}) =v_dB\hat{\mathbf y}, \] also \[ \boxed{\mathbf E=\frac{v_d}{\mu}\hat{\mathbf x} -v_dB\hat{\mathbf y}.} \]
Die Längskomponente hält die Drift entgegen der abbremsenden Wirkung der Stöße aufrecht. Die Querkomponente gleicht die magnetische Kraft aus. Insbesondere drückt die magnetische Kraft die Elektronen zunächst zur \(-y\)-Fläche; ihre Ansammlung erzeugt das erforderliche Feld in \(-y\)-Richtung.
Numerisch ergibt sich \[ bc=(1.0\times10^{-2})(1.0\times10^{-3}) =1.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^2}, \] \[ v_d= \frac{1.0} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-5})} =25\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Damit gilt \[ E_x=\frac{25}{7.8}=3.2\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_y=-25(0.10)=-2.5\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_z=0. \]
Der Betrag ist \[ E=\sqrt{E_x^2+E_y^2} =\frac{I}{nebc\mu}\sqrt{1+(\mu B)^2} =\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}. \] Für den Winkel von \(+\hat{\mathbf x}\) in Richtung \(-\hat{\mathbf y}\) gilt \[ \tan\theta=\frac{|E_y|}{E_x}=\mu B=0.78, \] woraus folgt \[ \boxed{\theta=38^\circ}. \]
b) Transversale Potentialdifferenz
Wir wählen gegenüberliegende Punkte auf den beiden \(b\)-Flächen mit derselben Längskoordinate. Wegen \(\mathbf E=-\boldsymbol{\nabla}V\) gilt \[ U_H=-\int_{-b/2}^{b/2}E_y\,dy =-E_yb=v_dBb. \] Einsetzen des Betrags der Driftgeschwindigkeit ergibt \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}.} \]
Numerisch ergibt sich \[ U_H= \frac{(1.0)(0.10)} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-3})} =\boxed{0.025\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}}. \]
An der \(-y\)-Fläche sammeln sich Elektronen an, und sie liegt auf niedrigerem Potential; die \(+y\)-Fläche liegt auf höherem Potential.
c) Gleichspannungsanteil bei Wechselstrom und wechselndem Magnetfeld
Wir nehmen einen quasistatischen Betrieb an: Die Elektronendrift und die Hall-Ladungsverteilung folgen den angelegten Signalen hinreichend schnell, und die induktive Einkopplung in die Spannungsmessleitungen ist vernachlässigbar. Die momentane Hall-Spannung beträgt dann \[ U_H(t)=\frac{I(t)B(t)}{nec} =\frac{I_0B_0}{nec}\sin\omega t\,\sin(\omega t+\delta). \]
Mit \[ \sin A\sin B=\frac12\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right], \] erhalten wir \[ U_H(t)=\frac{I_0B_0}{2nec} \left[\cos\delta-\cos(2\omega t+\delta)\right]. \]
Der zweite Term hat über eine Periode den Mittelwert null. Daher gilt \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}} =\overline{U_H} =\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \] Gleichwertig lässt sich schreiben \[ \overline{U_H} =\frac{I_{\mathrm{rms}}B_{\mathrm{rms}}}{nec}\cos\delta. \]
Die Ausgangsspannung enthält einen Gleichspannungsanteil und eine Welligkeit mit der doppelten angelegten Frequenz. Ihr Gleichspannungsanteil verschwindet, wenn die beiden Eingangssignale um eine Viertelperiode phasenverschoben sind.
d) Schaltung zur Messung der Wechselstromleistung
Das Ergebnis aus Teil c) macht das Hall-Element zu einem Multiplizierer: Seine Querspannung ist proportional zum Produkt aus seinem Längsstrom und dem Magnetfeld.
Eine geeignete Schaltung weist folgende Verbindungen auf:
-
Eine Feldspule wird in Reihe mit dem Gerät geschaltet. Der Hall-Stab wird im Inneren der Spule so angeordnet, dass seine \(c\)-Richtung parallel zum Feld liegt. Man verwendet eine lineare Spule, vorzugsweise eine Luftspule, sodass \[ B(t)=k_I i_L(t), \] wobei \(i_L(t)\) der Gerätestrom und \(k_I\) die Feldkonstante der Spule ist.
-
Ein separater Zweig wird parallel an das Wechselstromnetz angeschlossen; er besteht aus einem großen induktionsfreien Widerstand \(R\), der mit den beiden Längsendkontakten des Hall-Stabes in Reihe geschaltet ist. Der Längswiderstand des Stabes folgt aus Teil a): \[ r_H=\frac{E_xa}{I_H}=\frac{a}{ne\mu bc}. \] Bei vernachlässigbarer Reaktanz des Zweiges gilt somit \[ I_H(t)=\frac{u(t)}{R+r_H}=k_Uu(t). \] Die Wahl \(R\gg r_H\) ergibt \(k_U\simeq1/R\) und begrenzt den Messstrom.
-
Gegenüberliegende Hall-Kontakte auf den \(b\)-Flächen an derselben Längsposition werden mit einem mittelwertbildenden Voltmeter mit hoher Eingangsimpedanz verbunden. Geeignet ist auch ein Tiefpassfilter mit Impedanzwandler und nachgeschaltetem Gleichspannungsmessgerät. Es wird über viele Wechselstromperioden gemittelt.
Wir vernachlässigen den Spannungsabfall an der Feldspule und die Belastung durch den Spannungsmesszweig. Dann ist \(u(t)\) zugleich die Gerätespannung, und es gilt \[ U_H(t)=\frac{I_H(t)B(t)}{nec} =\frac{k_Uk_I}{nec}\,u(t)i_L(t). \] Ihr Mittelwert ist daher \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}\, \overline{u(t)i_L(t)} =\frac{k_Uk_I}{nec}P.} \]
Für sinusförmigen Betrieb schreiben wir \[ u(t)=U_0\sin\omega t,\qquad i_L(t)=I_{L0}\sin(\omega t-\varphi). \] Dann gilt \[ P=\frac{U_0I_{L0}}2\cos\varphi =U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi. \] Das Messgerät misst somit die mittlere aufgenommene Leistung einschließlich der Abhängigkeit vom Leistungsfaktor. Seine Kalibrierung in Watt lautet \[ \boxed{P=\frac{nec}{k_Uk_I}\,\overline{U_H}.} \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1985 · Teori sorusu 2
Bir InSb çubukta Hall etkisi
InSb yarı iletkeninden yapılmış, kenarları \(a\), \(b\) ve \(c\) (\(a\gg b\gg c\)) olan dikdörtgenler prizması biçimindeki uzun bir çubuktan, \(a\) kenarına paralel bir \(I\) akımı geçmektedir. Çubuk, \(c\) kenarına paralel bir dış manyetik alan \(B\) içindedir. \(I\) akımının oluşturduğu manyetik alan ihmal edilebilir. Akım taşıyıcıları elektronlardır. Bir yarı iletkende yalnızca elektrik alan bulunduğunda elektronların ortalama hızı \(v=\mu E\) olur; burada \(\mu\), hareketlilik olarak adlandırılır. Manyetik alan da varsa elektrik alan artık akıma paralel değildir. Bu olgu Hall etkisi olarak bilinir.
a) Yukarıda belirtilen akımın oluşması için çubuktaki elektrik alanın büyüklüğünü ve yönünü belirleyiniz.
b) Çubuğun yüzeylerinde, \(b\) kenarı doğrultusunda karşılıklı bulunan noktalar arasındaki elektriksel potansiyel farkını hesaplayınız.
c) Akım ve manyetik alanın alternatif (AC) olduğu, \(I=I_0\sin\omega t\) ve \(B=B_0\sin(\omega t+\delta)\) durumunda, b) şıkkındaki elektriksel potansiyel farkının doğru akım (DC) bileşeninin analitik ifadesini bulunuz.
d) c) şıkkındaki sonuçtan yararlanarak, alternatif akım şebekesine bağlı bir elektrikli cihazın güç tüketimini ölçmeyi sağlayacak bir elektrik devresi tasarlayınız ve açıklayınız.
Veriler: InSb içindeki elektron hareketliliği \(7.8\ \mathrm{m^2T/Vs}\), InSb içindeki elektron yoğunluğu \(2.5\cdot10^{22}\ \mathrm{m^{-3}}\), \(I=1.0\ \mathrm A\), \(B=0.10\ \mathrm T\), \(b=1.0\ \mathrm{cm}\), \(c=1.0\ \mathrm{mm}\), \(e_0=-1.6\cdot10^{-19}\ \mathrm{As}\).
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
\(+\hat{\mathbf x}\) yönü geleneksel akım yönünde, \(+\hat{\mathbf z}\) yönü ise manyetik alan yönünde olacak şekilde sağ elli bir koordinat sistemi seçelim. \(e=-e_0>0\) olsun, \(n\) elektron yoğunluğunu göstersin ve Hall gerilimini şöyle tanımlayalım: \[ U_H=V(y=+b/2)-V(y=-b/2). \]
-
a) Elektrik alan \[ \boxed{\mathbf E=\frac{I}{nebc\mu}\hat{\mathbf x} -\frac{IB}{nebc}\hat{\mathbf y} =(3.2\hat{\mathbf x}-2.5\hat{\mathbf y})\ \mathrm{V\,m^{-1}}.} \] biçimindedir. Büyüklüğü \(\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}\) olur. \(\mathbf B\)'ye diktir ve akım yönünden, \(\mathbf j\times\mathbf B\)'nin yönü olan \(-\hat{\mathbf y}\) yönüne doğru \[ \boxed{\theta=\tan^{-1}(\mu B)=38^\circ} \] kadar sapmıştır.
-
b) \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}=2.5\times10^{-2}\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}.} \] \(+y\) yüzeyi daha yüksek potansiyeldedir.
-
c) \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}}=\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \]
-
d) \(B(t)=k_I i_L(t)\) alanını oluşturmak için seri bağlı bir akım bobini kullanınız ve Hall çubuğunu, \(I_H(t)=k_Uu(t)\) olacak şekilde dirençli bir gerilim algılama kolundan besleyiniz. Böylece \(b\) doğrultusundaki karşılıklı yüzeyler arasına bağlanan, ortalama değeri ölçen bir voltmetre \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}P,\qquad P=U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi.} \] değerini gösterir. Ölçeğini doğrudan watt cinsinden kalibre ediniz.
Çözüm
Uzun çubuğun düzgün özelliklere sahip orta bölgesini ele alıyor, kontak etkilerini ve çubuğun akımının oluşturduğu manyetik alanı ihmal ediyoruz. Enine yüzeyler açık devre durumunda olduğundan, kararlı durumda enine akım yoktur.
Sayısal hesaplamalarda hareketlilik, \(v=\mu E\) bağıntısının gerektirdiği üzere \(7.8\ \mathrm{m^2/(V\,s)}\) olarak yorumlanmıştır; verilerde geçen \(\mathrm{m^2T/Vs}\) birimi bu bağıntıyla boyutsal olarak tutarlı değildir.
a) Elektrik alanın büyüklüğü ve yönü
Akım yoğunluğu ile elektronların sürüklenme hızı arasındaki ilişki \[ \mathbf j=-ne\mathbf v_e. \] biçimindedir. Kesit alanı \(bc\) olduğundan, \[ \mathbf j=\frac{I}{bc}\hat{\mathbf x}, \qquad \mathbf v_e=-v_d\hat{\mathbf x}, \qquad v_d=\frac{I}{nebc}. \]
Verilen hareketlilik bağıntısı, sürati alanın büyüklüğüyle ilişkilendirir. Vektörel olarak, manyetik alan yokken elektronlar elektrik alanın ters yönünde sürüklenir.
Alışılagelmiş izotropik hareketlilik modelinde, çarpışmalar ortalama \(-e\mathbf v_e/\mu\) direnç kuvveti uygular. Dolayısıyla her iki alanın varlığında kararlı durumdaki kuvvet dengesi \[ 0=-e\left(\mathbf E+\mathbf v_e\times\mathbf B\right) -\frac{e}{\mu}\mathbf v_e. \] biçimindedir. Buradan, \[ \mathbf E=-\frac{\mathbf v_e}{\mu}-\mathbf v_e\times\mathbf B. \]
\(\mathbf B=B\hat{\mathbf z}\) için, \[ \mathbf v_e\times\mathbf B =(-v_d\hat{\mathbf x})\times(B\hat{\mathbf z}) =v_dB\hat{\mathbf y}, \] dolayısıyla \[ \boxed{\mathbf E=\frac{v_d}{\mu}\hat{\mathbf x} -v_dB\hat{\mathbf y}.} \]
Boyuna bileşen, çarpışmalara karşı sürüklenmenin devam etmesini sağlar. Enine bileşen ise manyetik kuvveti dengeler. Özellikle, manyetik kuvvet başlangıçta elektronları \(-y\) yüzeyine doğru iter; elektronların burada birikmesi, \(-y\) yönündeki gerekli alanı oluşturur.
Sayısal olarak, \[ bc=(1.0\times10^{-2})(1.0\times10^{-3}) =1.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^2}, \] \[ v_d= \frac{1.0} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-5})} =25\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Böylece \[ E_x=\frac{25}{7.8}=3.2\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_y=-25(0.10)=-2.5\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_z=0. \]
Büyüklük \[ E=\sqrt{E_x^2+E_y^2} =\frac{I}{nebc\mu}\sqrt{1+(\mu B)^2} =\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}. \] olur. \(+\hat{\mathbf x}\) yönünden \(-\hat{\mathbf y}\) yönüne doğru ölçülen açı \[ \tan\theta=\frac{|E_y|}{E_x}=\mu B=0.78, \] bağıntısını sağlar ve buradan \[ \boxed{\theta=38^\circ}. \] elde edilir.
b) Enine potansiyel farkı
\(b\) doğrultusundaki iki karşılıklı yüzey üzerinde, boyuna koordinatları aynı olan karşılıklı noktaları seçelim. \(\mathbf E=-\boldsymbol{\nabla}V\) olduğundan, \[ U_H=-\int_{-b/2}^{b/2}E_y\,dy =-E_yb=v_dBb. \] Sürüklenme sürati yerine yazılırsa \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}.} \] elde edilir.
Sayısal olarak, \[ U_H= \frac{(1.0)(0.10)} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-3})} =\boxed{0.025\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}}. \]
\(-y\) yüzeyinde elektronlar birikir ve bu yüzey daha düşük potansiyeldedir; \(+y\) yüzeyi ise daha yüksek potansiyeldedir.
c) Alternatif akım ve manyetik alan için DC bileşeni
Yarı statik çalışma varsayalım: elektronların sürüklenmesi ve Hall yük dağılımı, uygulanan sinyalleri yeterince hızlı izlesin ve gerilim ölçüm kablolarında indüklenen parazit gerilim ihmal edilebilir olsun. Bu durumda anlık Hall gerilimi \[ U_H(t)=\frac{I(t)B(t)}{nec} =\frac{I_0B_0}{nec}\sin\omega t\,\sin(\omega t+\delta). \] olur.
Şu özdeşliği kullanarak \[ \sin A\sin B=\frac12\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right], \] şunu elde ederiz: \[ U_H(t)=\frac{I_0B_0}{2nec} \left[\cos\delta-\cos(2\omega t+\delta)\right]. \]
İkinci terimin bir periyot boyunca ortalaması sıfırdır. Dolayısıyla \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}} =\overline{U_H} =\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \] Eşdeğer olarak, \[ \overline{U_H} =\frac{I_{\mathrm{rms}}B_{\mathrm{rms}}}{nec}\cos\delta. \]
Çıkış, bir DC bileşeni ve uygulanan frekansın iki katında bir dalgalanma içerir. İki giriş arasında çeyrek periyotluk faz farkı olduğunda DC bileşeni sıfır olur.
d) AC gücü ölçme devresi
c) şıkkındaki sonuç, Hall elemanının bir çarpan olarak kullanılmasını sağlar: enine gerilimi, boyuna akımı ile manyetik alanın çarpımıyla orantılıdır.
Uygun bir devre şu bağlantılara sahiptir:
-
Bir alan bobinini cihaza seri bağlayınız. Hall çubuğunu, \(c\) doğrultusu alana paralel olacak şekilde bobinin içine yerleştiriniz. Doğrusal, tercihen hava çekirdekli bir bobin kullanınız; böylece \[ B(t)=k_I i_L(t), \] olur; burada \(i_L(t)\) cihaz akımı, \(k_I\) ise bobinin alan sabitidir.
-
AC şebekesine paralel olarak, Hall çubuğunun boyuna doğrultudaki iki uç kontağına seri bağlı, endüktansı ihmal edilebilir büyük bir \(R\) direncinden oluşan ayrı bir kol bağlayınız. Çubuğun boyuna direnci a) şıkkından bulunur: \[ r_H=\frac{E_xa}{I_H}=\frac{a}{ne\mu bc}. \] Böylece, kolun reaktansı ihmal edilebilir olduğunda, \[ I_H(t)=\frac{u(t)}{R+r_H}=k_Uu(t). \] \(R\gg r_H\) seçilmesi, \(k_U\simeq1/R\) olmasını sağlar ve algılama akımını sınırlar.
-
\(b\) doğrultusundaki karşılıklı yüzeylerde, aynı boyuna konumda bulunan Hall kontaklarını, giriş empedansı yüksek ve ortalama değeri ölçen bir voltmetreye bağlayınız. Ardından bir DC ölçü aleti bağlanmış, tampon devreli bir alçak geçiren filtre de uygundur. Çok sayıda AC periyodu üzerinden ortalama alınız.
Alan bobinindeki gerilim düşümünü ve gerilim algılama kolunun yükleme etkisini ihmal edelim. Bu durumda \(u(t)\) aynı zamanda cihazın gerilimidir ve \[ U_H(t)=\frac{I_H(t)B(t)}{nec} =\frac{k_Uk_I}{nec}\,u(t)i_L(t). \] Dolayısıyla ortalaması \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}\, \overline{u(t)i_L(t)} =\frac{k_Uk_I}{nec}P.} \] olur.
Sinüzoidal çalışma için şöyle yazalım: \[ u(t)=U_0\sin\omega t,\qquad i_L(t)=I_{L0}\sin(\omega t-\varphi). \] O hâlde \[ P=\frac{U_0I_{L0}}2\cos\varphi =U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi. \] Dolayısıyla ölçü aleti, güç faktörüne bağımlılığı da içerecek şekilde tüketilen ortalama gücü ölçer. Watt cinsinden kalibrasyonu \[ \boxed{P=\frac{nec}{k_Uk_I}\,\overline{U_H}.} \] biçimindedir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1985 · Problema teórico 2
Efecto Hall en una barra de InSb
Por una barra larga con forma de paralelepípedo rectangular de aristas \(a\), \(b\) y \(c\) (\(a\gg b\gg c\)), fabricada con el semiconductor InSb, circula una corriente \(I\) paralela a la arista \(a\). La barra se encuentra en un campo magnético externo \(B\) paralelo a la arista \(c\). El campo magnético producido por la corriente \(I\) puede despreciarse. Los portadores de corriente son electrones. La velocidad media de los electrones en un semiconductor en presencia únicamente de un campo eléctrico es \(v=\mu E\), donde \(\mu\) se denomina movilidad. Si también hay un campo magnético, el campo eléctrico deja de ser paralelo a la corriente. Este fenómeno se conoce como efecto Hall.
a) Determine el módulo y la dirección del campo eléctrico en la barra necesarios para producir la corriente descrita anteriormente.
b) Calcule la diferencia de potencial eléctrico entre puntos opuestos de las superficies de la barra en la dirección de la arista \(b\).
c) Halle la expresión analítica de la componente continua de la diferencia de potencial eléctrico del caso b) si la corriente y el campo magnético son alternos (CA); \(I=I_0\sin\omega t\) y \(B=B_0\sin(\omega t+\delta)\).
d) Diseñe y explique un circuito eléctrico que permita, aprovechando el resultado c), medir la potencia consumida por un aparato eléctrico conectado a la red de CA.
Datos: La movilidad de los electrones en InSb es \(7.8\ \mathrm{m^2T/Vs}\), la concentración de electrones en InSb es \(2.5\cdot10^{22}\ \mathrm{m^{-3}}\), \(I=1.0\ \mathrm A\), \(B=0.10\ \mathrm T\), \(b=1.0\ \mathrm{cm}\), \(c=1.0\ \mathrm{mm}\), \(e_0=-1.6\cdot10^{-19}\ \mathrm{As}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
Elijamos unos ejes que formen un sistema dextrógiro, con \(+\hat{\mathbf x}\) en el sentido de la corriente convencional y \(+\hat{\mathbf z}\) en el sentido del campo magnético. Sean \(e=-e_0>0\) y \(n\) la concentración de electrones, y definamos la tensión de Hall como \[ U_H=V(y=+b/2)-V(y=-b/2). \]
-
a) El campo eléctrico es \[ \boxed{\mathbf E=\frac{I}{nebc\mu}\hat{\mathbf x} -\frac{IB}{nebc}\hat{\mathbf y} =(3.2\hat{\mathbf x}-2.5\hat{\mathbf y})\ \mathrm{V\,m^{-1}}.} \] Su módulo es \(\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}\). Es perpendicular a \(\mathbf B\) y forma un ángulo de \[ \boxed{\theta=\tan^{-1}(\mu B)=38^\circ} \] con la dirección de la corriente, hacia \(-\hat{\mathbf y}\), que es el sentido de \(\mathbf j\times\mathbf B\).
-
b) \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}=2.5\times10^{-2}\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}.} \] La cara \(+y\) está a mayor potencial.
-
c) \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}}=\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \]
-
d) Utilice una bobina de corriente conectada en serie para producir \(B(t)=k_I i_L(t)\), y alimente la barra de Hall mediante una rama resistiva de medida de tensión de modo que \(I_H(t)=k_Uu(t)\). Un voltímetro que mida el valor medio, conectado entre las caras perpendiculares a \(b\), indicará entonces \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}P,\qquad P=U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi.} \] Calibre su escala directamente en vatios.
Solución
Consideramos la región central uniforme de la barra larga, despreciando los efectos de los contactos y el campo magnético generado por su corriente. Las caras transversales están en circuito abierto, por lo que no hay corriente transversal en régimen estacionario.
Para los cálculos numéricos, la movilidad se interpreta como \(7.8\ \mathrm{m^2/(V\,s)}\), tal como exige \(v=\mu E\); la unidad \(\mathrm{m^2T/Vs}\) que figura en los datos es dimensionalmente incompatible con esta relación.
a) Módulo y dirección del campo eléctrico
La densidad de corriente y la velocidad de deriva de los electrones están relacionadas mediante \[ \mathbf j=-ne\mathbf v_e. \] Como el área de la sección transversal es \(bc\), \[ \mathbf j=\frac{I}{bc}\hat{\mathbf x}, \qquad \mathbf v_e=-v_d\hat{\mathbf x}, \qquad v_d=\frac{I}{nebc}. \]
La ley de movilidad dada relaciona la rapidez con el módulo del campo. En forma vectorial, los electrones se desplazan en sentido opuesto al campo eléctrico cuando no hay campo magnético.
En el modelo habitual de movilidad isótropa, las colisiones ejercen una fuerza media de resistencia \(-e\mathbf v_e/\mu\). Por tanto, el equilibrio de fuerzas en régimen estacionario en presencia de ambos campos es \[ 0=-e\left(\mathbf E+\mathbf v_e\times\mathbf B\right) -\frac{e}{\mu}\mathbf v_e. \] En consecuencia, \[ \mathbf E=-\frac{\mathbf v_e}{\mu}-\mathbf v_e\times\mathbf B. \]
Con \(\mathbf B=B\hat{\mathbf z}\), \[ \mathbf v_e\times\mathbf B =(-v_d\hat{\mathbf x})\times(B\hat{\mathbf z}) =v_dB\hat{\mathbf y}, \] de modo que \[ \boxed{\mathbf E=\frac{v_d}{\mu}\hat{\mathbf x} -v_dB\hat{\mathbf y}.} \]
La componente longitudinal mantiene el movimiento de deriva frente a las colisiones. La componente transversal equilibra la fuerza magnética. En particular, la fuerza magnética empuja inicialmente a los electrones hacia la cara \(-y\); su acumulación produce el campo necesario en el sentido \(-y\).
Numéricamente, \[ bc=(1.0\times10^{-2})(1.0\times10^{-3}) =1.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^2}, \] \[ v_d= \frac{1.0} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-5})} =25\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Así, \[ E_x=\frac{25}{7.8}=3.2\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_y=-25(0.10)=-2.5\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_z=0. \]
El módulo es \[ E=\sqrt{E_x^2+E_y^2} =\frac{I}{nebc\mu}\sqrt{1+(\mu B)^2} =\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}. \] El ángulo medido desde \(+\hat{\mathbf x}\) hacia \(-\hat{\mathbf y}\) satisface \[ \tan\theta=\frac{|E_y|}{E_x}=\mu B=0.78, \] lo que da \[ \boxed{\theta=38^\circ}. \]
b) Diferencia de potencial transversal
Elijamos puntos opuestos de las dos caras perpendiculares a \(b\) con la misma coordenada longitudinal. Como \(\mathbf E=-\boldsymbol{\nabla}V\), \[ U_H=-\int_{-b/2}^{b/2}E_y\,dy =-E_yb=v_dBb. \] Al sustituir la rapidez de deriva se obtiene \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}.} \]
Numéricamente, \[ U_H= \frac{(1.0)(0.10)} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-3})} =\boxed{0.025\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}}. \]
La cara \(-y\) acumula electrones y está a menor potencial; la cara \(+y\) está a mayor potencial.
c) Componente continua para una corriente y un campo magnético alternos
Supongamos un funcionamiento cuasiestático: la deriva de los electrones y la distribución de carga de Hall siguen las señales aplicadas con suficiente rapidez, y la tensión inducida en los cables de medida es despreciable. La tensión instantánea de Hall es entonces \[ U_H(t)=\frac{I(t)B(t)}{nec} =\frac{I_0B_0}{nec}\sin\omega t\,\sin(\omega t+\delta). \]
Utilizando \[ \sin A\sin B=\frac12\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right], \] obtenemos \[ U_H(t)=\frac{I_0B_0}{2nec} \left[\cos\delta-\cos(2\omega t+\delta)\right]. \]
El valor medio del segundo término a lo largo de un ciclo es cero. Por tanto, \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}} =\overline{U_H} =\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \] De forma equivalente, \[ \overline{U_H} =\frac{I_{\mathrm{rms}}B_{\mathrm{rms}}}{nec}\cos\delta. \]
La señal de salida contiene una componente continua y una ondulación al doble de la frecuencia aplicada. Su componente continua se anula cuando las dos señales de entrada están en cuadratura.
d) Circuito para medir la potencia en CA
El resultado del apartado c) convierte el elemento Hall en un multiplicador: su tensión transversal es proporcional al producto de su corriente longitudinal por el campo magnético.
Un circuito adecuado tiene las siguientes conexiones:
-
Conecte una bobina generadora de campo en serie con el aparato. Coloque la barra de Hall dentro de la bobina, con su dirección \(c\) paralela al campo. Utilice una bobina lineal, preferiblemente con núcleo de aire, de modo que \[ B(t)=k_I i_L(t), \] donde \(i_L(t)\) es la corriente del aparato y \(k_I\) es la constante de campo de la bobina.
-
Conecte una rama independiente entre los bornes de la red de CA, formada por una resistencia no inductiva \(R\) de valor elevado en serie con los dos contactos de los extremos longitudinales de la barra de Hall. La resistencia longitudinal de la barra se obtiene del apartado a): \[ r_H=\frac{E_xa}{I_H}=\frac{a}{ne\mu bc}. \] Así, si la reactancia de la rama es despreciable, \[ I_H(t)=\frac{u(t)}{R+r_H}=k_Uu(t). \] Al elegir \(R\gg r_H\), se obtiene \(k_U\simeq1/R\) y se limita la corriente de medida.
-
Conecte los contactos Hall opuestos de las caras perpendiculares a \(b\), situados en la misma posición longitudinal, a un voltímetro de alta impedancia de entrada que mida el valor medio. También es adecuado un filtro paso bajo con una etapa separadora, seguido de un medidor de continua. Calcule el valor medio a lo largo de muchos ciclos de CA.
Despreciemos la caída de tensión en la bobina generadora de campo y el efecto de carga de la rama de medida de tensión. Entonces \(u(t)\) es también la tensión del aparato, y \[ U_H(t)=\frac{I_H(t)B(t)}{nec} =\frac{k_Uk_I}{nec}\,u(t)i_L(t). \] Por tanto, su valor medio es \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}\, \overline{u(t)i_L(t)} =\frac{k_Uk_I}{nec}P.} \]
Para un funcionamiento sinusoidal, escribamos \[ u(t)=U_0\sin\omega t,\qquad i_L(t)=I_{L0}\sin(\omega t-\varphi). \] Entonces \[ P=\frac{U_0I_{L0}}2\cos\varphi =U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi. \] Por consiguiente, el medidor mide la potencia media consumida, incluida la dependencia del factor de potencia. Su calibración en vatios es \[ \boxed{P=\frac{nec}{k_Uk_I}\,\overline{U_H}.} \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1985 · 理论题 2
InSb 棒中的霍尔效应
一根由半导体 InSb 制成的长方体长棒,三条边的长度分别为 \(a\)、\(b\) 和 \(c\)(\(a\gg b\gg c\)),其中有平行于边 \(a\) 的电流 \(I\) 流过。长棒处于平行于边 \(c\) 的外磁场 \(B\) 中。电流 \(I\) 产生的磁场可以忽略。载流子为电子。仅有电场时,半导体中电子的平均速度为 \(v=\mu E\),其中 \(\mu\) 称为迁移率。如果同时存在磁场,电场就不再与电流平行。这种现象称为霍尔效应。
a) 求为产生上述电流,棒内电场应具有的大小和方向。
b) 计算沿边 \(b\) 的方向,棒的两个相对表面上正对的两点之间的电势差。
c) 若电流和磁场均为交变的(AC),即 \(I=I_0\sin\omega t\) 和 \(B=B_0\sin(\omega t+\delta)\),求 b) 中电势差的直流分量的解析表达式。
d) 设计并说明一个利用 c) 的结果测量接入交流电网的用电器所消耗功率的电路。
已知数据:InSb 中电子的迁移率为 \(7.8\ \mathrm{m^2T/Vs}\),InSb 中电子的浓度为 \(2.5\cdot10^{22}\ \mathrm{m^{-3}}\),\(I=1.0\ \mathrm A\),\(B=0.10\ \mathrm T\),\(b=1.0\ \mathrm{cm}\),\(c=1.0\ \mathrm{mm}\),\(e_0=-1.6\cdot10^{-19}\ \mathrm{As}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
选取右手坐标系,使 \(+\hat{\mathbf x}\) 沿约定的电流方向,\(+\hat{\mathbf z}\) 沿磁场方向。令 \(e=-e_0>0\),以 \(n\) 表示电子浓度,并将霍尔电压定义为 \[ U_H=V(y=+b/2)-V(y=-b/2). \]
-
a) 电场为 \[ \boxed{\mathbf E=\frac{I}{nebc\mu}\hat{\mathbf x} -\frac{IB}{nebc}\hat{\mathbf y} =(3.2\hat{\mathbf x}-2.5\hat{\mathbf y})\ \mathrm{V\,m^{-1}}.} \] 其大小为 \(\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}\)。电场垂直于 \(\mathbf B\),偏转角为 \[ \boxed{\theta=\tan^{-1}(\mu B)=38^\circ} \] 这一偏转是从电流方向朝 \(-\hat{\mathbf y}\) 方向,即 \(\mathbf j\times\mathbf B\) 的方向发生的。
-
b) \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}=2.5\times10^{-2}\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}.} \] \(+y\) 侧表面的电势较高。
-
c) \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}}=\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \]
-
d) 用串联的电流线圈产生 \(B(t)=k_I i_L(t)\),并通过电阻性电压采样支路驱动霍尔棒,使 \(I_H(t)=k_Uu(t)\)。接在沿 \(b\) 方向相对的两个表面之间的平均值电压表读数为 \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}P,\qquad P=U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi.} \] 将其刻度直接标定为瓦特。
解答
我们考虑长棒中部的均匀区域,忽略接触效应以及棒内电流产生的磁场。横向表面开路,因此不存在稳恒的横向电流。
在数值计算中,根据 \(v=\mu E\) 的要求,将迁移率理解为 \(7.8\ \mathrm{m^2/(V\,s)}\);已知数据中给出的单位 \(\mathrm{m^2T/Vs}\) 与该关系式的量纲不符。
a) 电场的大小和方向
电流密度与电子漂移速度之间的关系为 \[ \mathbf j=-ne\mathbf v_e. \] 由于横截面积为 \(bc\),有 \[ \mathbf j=\frac{I}{bc}\hat{\mathbf x}, \qquad \mathbf v_e=-v_d\hat{\mathbf x}, \qquad v_d=\frac{I}{nebc}. \]
题给的迁移率关系将速率与电场大小联系起来。用矢量形式表述,在没有磁场时,电子的漂移方向与电场方向相反。
在通常的各向同性迁移率模型中,碰撞产生的平均阻力为 \(-e\mathbf v_e/\mu\)。因此,在电场和磁场同时存在时,稳态下的受力平衡方程为 \[ 0=-e\left(\mathbf E+\mathbf v_e\times\mathbf B\right) -\frac{e}{\mu}\mathbf v_e. \] 于是, \[ \mathbf E=-\frac{\mathbf v_e}{\mu}-\mathbf v_e\times\mathbf B. \]
由 \(\mathbf B=B\hat{\mathbf z}\),得 \[ \mathbf v_e\times\mathbf B =(-v_d\hat{\mathbf x})\times(B\hat{\mathbf z}) =v_dB\hat{\mathbf y}, \] 所以 \[ \boxed{\mathbf E=\frac{v_d}{\mu}\hat{\mathbf x} -v_dB\hat{\mathbf y}.} \]
纵向分量用于克服碰撞的阻碍,维持漂移运动。横向分量用于平衡磁场力。具体而言,磁场力最初将电子推向 \(-y\) 侧表面;电子在那里积累,产生所需的沿 \(-y\) 方向的电场。
代入数值得 \[ bc=(1.0\times10^{-2})(1.0\times10^{-3}) =1.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^2}, \] \[ v_d= \frac{1.0} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-5})} =25\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] 因此 \[ E_x=\frac{25}{7.8}=3.2\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_y=-25(0.10)=-2.5\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_z=0. \]
电场大小为 \[ E=\sqrt{E_x^2+E_y^2} =\frac{I}{nebc\mu}\sqrt{1+(\mu B)^2} =\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}. \] 从 \(+\hat{\mathbf x}\) 向 \(-\hat{\mathbf y}\) 偏转的角度满足 \[ \tan\theta=\frac{|E_y|}{E_x}=\mu B=0.78, \] 由此得 \[ \boxed{\theta=38^\circ}. \]
b) 横向电势差
在沿 \(b\) 方向相对的两个表面上,选取纵向坐标相同的两个正对点。由于 \(\mathbf E=-\boldsymbol{\nabla}V\),有 \[ U_H=-\int_{-b/2}^{b/2}E_y\,dy =-E_yb=v_dBb. \] 代入漂移速率,得 \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}.} \]
代入数值得 \[ U_H= \frac{(1.0)(0.10)} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-3})} =\boxed{0.025\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}}. \]
\(-y\) 侧表面积累电子,电势较低;\(+y\) 侧表面的电势较高。
c) 交变电流和磁场下的直流分量
假设系统在准静态条件下工作:电子漂移和霍尔电荷分布能够足够迅速地跟随外加信号变化,且电压引线中的感应干扰可以忽略。此时,瞬时霍尔电压为 \[ U_H(t)=\frac{I(t)B(t)}{nec} =\frac{I_0B_0}{nec}\sin\omega t\,\sin(\omega t+\delta). \]
利用 \[ \sin A\sin B=\frac12\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right], \] 可得 \[ U_H(t)=\frac{I_0B_0}{2nec} \left[\cos\delta-\cos(2\omega t+\delta)\right]. \]
第二项在一个周期内的平均值为零。因此 \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}} =\overline{U_H} =\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \] 等价地, \[ \overline{U_H} =\frac{I_{\mathrm{rms}}B_{\mathrm{rms}}}{nec}\cos\delta. \]
输出包含一个直流分量和一个频率为外加信号频率两倍的纹波分量。当两个输入信号的相位相差四分之一周期时,直流分量为零。
d) 测量交流功率的电路
c) 部分的结果表明,霍尔元件可以用作乘法器:其横向电压正比于纵向电流与磁场的乘积。
一种可行电路的连接方式如下:
-
将励磁线圈与用电器串联。将霍尔棒置于线圈内部,使其 \(c\) 方向平行于磁场。采用线性线圈,最好使用空心线圈,使 \[ B(t)=k_I i_L(t), \] 其中 \(i_L(t)\) 为用电器电流,\(k_I\) 为线圈的磁场常数。
-
在交流电网两端另接一个支路,由一个大阻值无感电阻 \(R\) 与霍尔棒纵向两端的接触电极串联组成。由 a) 部分可得棒的纵向电阻: \[ r_H=\frac{E_xa}{I_H}=\frac{a}{ne\mu bc}. \] 因此,在支路电抗可忽略时, \[ I_H(t)=\frac{u(t)}{R+r_H}=k_Uu(t). \] 取 \(R\gg r_H\),即可使 \(k_U\simeq1/R\),并限制采样电流。
-
将沿 \(b\) 方向相对的两个表面上、纵向位置相同的两个霍尔接触电极接至高输入阻抗的平均值电压表。也可使用带缓冲级的低通滤波器,再接直流电表。对多个交流周期取平均。
忽略励磁线圈上的电压降和电压采样支路的负载效应。于是,\(u(t)\) 也就是用电器两端的电压,且 \[ U_H(t)=\frac{I_H(t)B(t)}{nec} =\frac{k_Uk_I}{nec}\,u(t)i_L(t). \] 因此,其平均值为 \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}\, \overline{u(t)i_L(t)} =\frac{k_Uk_I}{nec}P.} \]
对于正弦交流,令 \[ u(t)=U_0\sin\omega t,\qquad i_L(t)=I_{L0}\sin(\omega t-\varphi). \] 则 \[ P=\frac{U_0I_{L0}}2\cos\varphi =U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi. \] 因此,电表测得的是用电器消耗的平均功率,其中已包含功率因数的影响。其瓦特刻度的标定关系为 \[ \boxed{P=\frac{nec}{k_Uk_I}\,\overline{U_H}.} \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 1985 · Теоретическая задача 2
Эффект Холла в бруске InSb
По длинному бруску из полупроводника InSb, имеющему форму прямоугольного параллелепипеда с рёбрами \(a\), \(b\) и \(c\) (\(a\gg b\gg c\)), течёт ток \(I\), параллельный ребру \(a\). Брусок находится во внешнем магнитном поле \(B\), параллельном ребру \(c\). Магнитным полем, создаваемым током \(I\), можно пренебречь. Носителями тока являются электроны. Средняя скорость электронов в полупроводнике при наличии только электрического поля равна \(v=\mu E\), где \(\mu\) называется подвижностью. Если присутствует также магнитное поле, электрическое поле перестаёт быть параллельным току. Это явление известно как эффект Холла.
a) Определите величину и направление электрического поля в бруске, при которых в нём течёт описанный выше ток.
b) Вычислите разность электрических потенциалов между противоположными точками на поверхностях бруска в направлении ребра \(b\).
c) Найдите аналитическое выражение для постоянной составляющей разности электрических потенциалов в случае b), если ток и магнитное поле являются переменными; \(I=I_0\sin\omega t\) и \(B=B_0\sin(\omega t+\delta)\).
d) Разработайте и объясните электрическую схему, которая позволяла бы, используя результат c), измерять мощность, потребляемую электрическим прибором, подключённым к сети переменного тока.
Данные: Подвижность электронов в InSb равна \(7.8\ \mathrm{m^2T/Vs}\), концентрация электронов в InSb равна \(2.5\cdot10^{22}\ \mathrm{m^{-3}}\), \(I=1.0\ \mathrm A\), \(B=0.10\ \mathrm T\), \(b=1.0\ \mathrm{cm}\), \(c=1.0\ \mathrm{mm}\), \(e_0=-1.6\cdot10^{-19}\ \mathrm{As}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
Выберем правую систему координат, в которой направление \(+\hat{\mathbf x}\) совпадает с условным направлением тока, а \(+\hat{\mathbf z}\) — с направлением магнитного поля. Пусть \(e=-e_0>0\), \(n\) — концентрация электронов, и определим напряжение Холла как \[ U_H=V(y=+b/2)-V(y=-b/2). \]
-
a) Электрическое поле равно \[ \boxed{\mathbf E=\frac{I}{nebc\mu}\hat{\mathbf x} -\frac{IB}{nebc}\hat{\mathbf y} =(3.2\hat{\mathbf x}-2.5\hat{\mathbf y})\ \mathrm{V\,m^{-1}}.} \] Его модуль равен \(\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}\). Оно перпендикулярно \(\mathbf B\) и отклонено на угол \[ \boxed{\theta=\tan^{-1}(\mu B)=38^\circ} \] от направления тока в сторону \(-\hat{\mathbf y}\), то есть в направлении \(\mathbf j\times\mathbf B\).
-
b) \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}=2.5\times10^{-2}\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}.} \] Грань \(+y\) имеет более высокий потенциал.
-
c) \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}}=\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \]
-
d) Используем последовательно включённую токовую катушку для создания поля \(B(t)=k_I i_L(t)\), а ток через брусок Холла зададим с помощью резистивной ветви измерения напряжения так, чтобы \(I_H(t)=k_Uu(t)\). Тогда усредняющий вольтметр, подключённый между гранями, разделёнными расстоянием \(b\), покажет \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}P,\qquad P=U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi.} \] Его шкалу следует проградуировать непосредственно в ваттах.
Решение
Рассмотрим однородную центральную область длинного бруска, пренебрегая контактными эффектами и магнитным полем, создаваемым протекающим по нему током. Поперечные грани не замкнуты во внешнюю цепь, поэтому установившийся поперечный ток отсутствует.
При численных расчётах подвижность принимается равной \(7.8\ \mathrm{m^2/(V\,s)}\), как того требует соотношение \(v=\mu E\); указанная в данных единица \(\mathrm{m^2T/Vs}\) несовместима с этим соотношением по размерности.
a) Величина и направление электрического поля
Плотность тока и дрейфовая скорость электронов связаны соотношением \[ \mathbf j=-ne\mathbf v_e. \] Поскольку площадь поперечного сечения равна \(bc\), \[ \mathbf j=\frac{I}{bc}\hat{\mathbf x}, \qquad \mathbf v_e=-v_d\hat{\mathbf x}, \qquad v_d=\frac{I}{nebc}. \]
Приведённый закон подвижности связывает модуль скорости с модулем напряжённости поля. В векторной форме он означает, что при отсутствии магнитного поля электроны дрейфуют в направлении, противоположном электрическому полю.
В обычной модели с изотропной подвижностью столкновения создают среднюю силу сопротивления \(-e\mathbf v_e/\mu\). Поэтому в установившемся режиме баланс сил при наличии обоих полей имеет вид \[ 0=-e\left(\mathbf E+\mathbf v_e\times\mathbf B\right) -\frac{e}{\mu}\mathbf v_e. \] Следовательно, \[ \mathbf E=-\frac{\mathbf v_e}{\mu}-\mathbf v_e\times\mathbf B. \]
При \(\mathbf B=B\hat{\mathbf z}\) \[ \mathbf v_e\times\mathbf B =(-v_d\hat{\mathbf x})\times(B\hat{\mathbf z}) =v_dB\hat{\mathbf y}, \] так что \[ \boxed{\mathbf E=\frac{v_d}{\mu}\hat{\mathbf x} -v_dB\hat{\mathbf y}.} \]
Продольная составляющая поддерживает дрейф, преодолевая сопротивление, обусловленное столкновениями. Поперечная составляющая уравновешивает магнитную силу. В частности, вначале магнитная сила направляет электроны к грани \(-y\); их накопление создаёт необходимое поле в направлении \(-y\).
Численно, \[ bc=(1.0\times10^{-2})(1.0\times10^{-3}) =1.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^2}, \] \[ v_d= \frac{1.0} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-5})} =25\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] Таким образом, \[ E_x=\frac{25}{7.8}=3.2\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_y=-25(0.10)=-2.5\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_z=0. \]
Модуль поля равен \[ E=\sqrt{E_x^2+E_y^2} =\frac{I}{nebc\mu}\sqrt{1+(\mu B)^2} =\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}. \] Угол, отсчитываемый от \(+\hat{\mathbf x}\) в сторону \(-\hat{\mathbf y}\), удовлетворяет соотношению \[ \tan\theta=\frac{|E_y|}{E_x}=\mu B=0.78, \] откуда \[ \boxed{\theta=38^\circ}. \]
b) Поперечная разность потенциалов
Выберем противоположные точки на двух гранях, разделённых расстоянием \(b\), с одинаковой продольной координатой. Поскольку \(\mathbf E=-\boldsymbol{\nabla}V\), \[ U_H=-\int_{-b/2}^{b/2}E_y\,dy =-E_yb=v_dBb. \] Подставляя дрейфовую скорость, получаем \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}.} \]
Численно, \[ U_H= \frac{(1.0)(0.10)} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-3})} =\boxed{0.025\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}}. \]
На грани \(-y\) накапливаются электроны, и её потенциал ниже; грань \(+y\) имеет более высокий потенциал.
c) Постоянная составляющая при переменных токе и магнитном поле
Предположим, что режим квазистатический: дрейф электронов и распределение холловского заряда достаточно быстро следуют за приложенными сигналами, а индуктивными наводками в проводах измерительной цепи напряжения можно пренебречь. Тогда мгновенное напряжение Холла равно \[ U_H(t)=\frac{I(t)B(t)}{nec} =\frac{I_0B_0}{nec}\sin\omega t\,\sin(\omega t+\delta). \]
Используя тождество \[ \sin A\sin B=\frac12\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right], \] получаем \[ U_H(t)=\frac{I_0B_0}{2nec} \left[\cos\delta-\cos(2\omega t+\delta)\right]. \]
Среднее значение второго слагаемого за период равно нулю. Следовательно, \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}} =\overline{U_H} =\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \] Эквивалентная запись: \[ \overline{U_H} =\frac{I_{\mathrm{rms}}B_{\mathrm{rms}}}{nec}\cos\delta. \]
Выходной сигнал содержит постоянную составляющую и пульсацию с частотой, вдвое превышающей частоту приложенных сигналов. Его постоянная составляющая обращается в нуль, когда два входных сигнала находятся в квадратуре.
d) Схема для измерения мощности переменного тока
Результат пункта c) позволяет использовать элемент Холла в качестве умножителя: его поперечное напряжение пропорционально произведению продольного тока и магнитного поля.
Подходящая схема предусматривает следующие соединения:
-
Включите катушку, создающую магнитное поле, последовательно с прибором. Поместите брусок Холла внутрь катушки так, чтобы его направление \(c\) было параллельно полю. Используйте катушку с линейной характеристикой, предпочтительно без сердечника, так чтобы \[ B(t)=k_I i_L(t), \] где \(i_L(t)\) — ток прибора, а \(k_I\) — постоянная катушки, связывающая поле с током.
-
Подключите параллельно сети переменного тока отдельную ветвь, состоящую из безындуктивного резистора с большим сопротивлением \(R\), включённого последовательно с двумя продольными торцевыми контактами бруска Холла. Продольное сопротивление бруска следует из пункта a): \[ r_H=\frac{E_xa}{I_H}=\frac{a}{ne\mu bc}. \] Поэтому при пренебрежимо малом реактивном сопротивлении ветви \[ I_H(t)=\frac{u(t)}{R+r_H}=k_Uu(t). \] Выбор \(R\gg r_H\) даёт \(k_U\simeq1/R\) и ограничивает измерительный ток.
-
Подключите противоположные холловские контакты на гранях, разделённых расстоянием \(b\), расположенные при одинаковой продольной координате, к усредняющему вольтметру с высоким входным сопротивлением. Подойдёт также фильтр нижних частот с буферным каскадом, за которым включён измеритель постоянного напряжения. Выполняйте усреднение за много периодов переменного тока.
Пренебрежём падением напряжения на катушке и нагрузкой, создаваемой ветвью измерения напряжения. Тогда \(u(t)\) является также напряжением на приборе, и \[ U_H(t)=\frac{I_H(t)B(t)}{nec} =\frac{k_Uk_I}{nec}\,u(t)i_L(t). \] Следовательно, его среднее значение равно \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}\, \overline{u(t)i_L(t)} =\frac{k_Uk_I}{nec}P.} \]
Для синусоидального режима запишем \[ u(t)=U_0\sin\omega t,\qquad i_L(t)=I_{L0}\sin(\omega t-\varphi). \] Тогда \[ P=\frac{U_0I_{L0}}2\cos\varphi =U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi. \] Таким образом, измеритель показывает среднюю потребляемую мощность с учётом зависимости от коэффициента мощности. Его градуировка в ваттах задаётся соотношением \[ \boxed{P=\frac{nec}{k_Uk_I}\,\overline{U_H}.} \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1985 · مسألة نظرية 2
تأثير هول في قضيب من InSb
يمر تيار \(I\) في قضيب طويل مصنوع من شبه الموصل InSb، على شكل متوازي مستطيلات أبعاده \(a\)، و\(b\)، و\(c\) (\(a\gg b\gg c\))، ويكون التيار موازيًا للحافة \(a\). يوجد القضيب في مجال مغناطيسي خارجي \(B\) موازٍ للحافة \(c\). يمكن إهمال المجال المغناطيسي الناتج عن التيار \(I\). حاملات التيار هي الإلكترونات. مقدار السرعة المتوسطة للإلكترونات في شبه موصل عند وجود مجال كهربائي فقط هو \(v=\mu E\)، حيث تُسمّى \(\mu\) الحركية. وإذا وُجد مجال مغناطيسي أيضًا، لم يعد المجال الكهربائي موازيًا للتيار. تُعرف هذه الظاهرة بتأثير هول.
a) حدّد مقدار المجال الكهربائي واتجاهه في القضيب بحيث ينتج التيار الموصوف أعلاه.
b) احسب فرق الجهد الكهربائي بين النقطتين المتقابلتين على سطحي القضيب في اتجاه الحافة \(b\).
c) أوجد التعبير التحليلي للمركّبة المستمرة (DC) لفرق الجهد الكهربائي في الحالة b) إذا كان التيار والمجال المغناطيسي متناوبين (AC)؛ \(I=I_0\sin\omega t\) و\(B=B_0\sin(\omega t+\delta)\).
d) صمّم واشرح دائرة كهربائية تتيح، باستغلال نتيجة c)، قياس القدرة التي يستهلكها جهاز كهربائي موصول بشبكة التيار المتناوب.
المعطيات: حركية الإلكترونات في InSb هي \(7.8\ \mathrm{m^2T/Vs}\)، وتركيز الإلكترونات في InSb هو \(2.5\cdot10^{22}\ \mathrm{m^{-3}}\)، و\(I=1.0\ \mathrm A\)، و\(B=0.10\ \mathrm T\)، و\(b=1.0\ \mathrm{cm}\)، و\(c=1.0\ \mathrm{mm}\)، و\(e_0=-1.6\cdot10^{-19}\ \mathrm{As}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
نختار محاور وفق قاعدة اليد اليمنى، بحيث يكون \(+\hat{\mathbf x}\) في اتجاه التيار الاصطلاحي و\(+\hat{\mathbf z}\) في اتجاه المجال المغناطيسي. لتكن \(e=-e_0>0\)، وليكن \(n\) تركيز الإلكترونات، ونعرّف جهد هول بالعلاقة \[ U_H=V(y=+b/2)-V(y=-b/2). \]
-
a) المجال الكهربائي هو \[ \boxed{\mathbf E=\frac{I}{nebc\mu}\hat{\mathbf x} -\frac{IB}{nebc}\hat{\mathbf y} =(3.2\hat{\mathbf x}-2.5\hat{\mathbf y})\ \mathrm{V\,m^{-1}}.} \] مقداره \(\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}\). وهو عمودي على \(\mathbf B\)، ويميل بزاوية \[ \boxed{\theta=\tan^{-1}(\mu B)=38^\circ} \] عن اتجاه التيار نحو \(-\hat{\mathbf y}\)، وهو اتجاه \(\mathbf j\times\mathbf B\).
-
b) \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}=2.5\times10^{-2}\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}.} \] الوجه \(+y\) عند جهد أعلى.
-
c) \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}}=\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \]
-
d) نستخدم ملف تيار موصولًا على التوالي لتوليد \(B(t)=k_I i_L(t)\)، ونمرّر تيارًا في قضيب هول عبر فرع مقاومي لاستشعار الجهد بحيث يكون \(I_H(t)=k_Uu(t)\). عندئذ يقرأ فولتمتر يقيس القيمة المتوسطة، موصول بين الوجهين المتقابلين في اتجاه \(b\)، القيمة \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}P,\qquad P=U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi.} \] نعاير تدريجه مباشرة بالواط.
الحل
ننظر في المنطقة الوسطى المتجانسة من القضيب الطويل، مع إهمال تأثيرات التلامس والمجال المغناطيسي الذي يولّده تياره. الوجهان العرضيان غير موصولين بدائرة مغلقة، ولذلك لا يوجد تيار عرضي مستقر.
في الحسابات العددية، تُفسَّر الحركية على أنها \(7.8\ \mathrm{m^2/(V\,s)}\)، كما تقتضيه العلاقة \(v=\mu E\)؛ أما الوحدة \(\mathrm{m^2T/Vs}\) الواردة في المعطيات فغير متسقة من حيث الأبعاد مع هذه العلاقة.
a) مقدار المجال الكهربائي واتجاهه
ترتبط كثافة التيار بسرعة انجراف الإلكترونات بالعلاقة \[ \mathbf j=-ne\mathbf v_e. \] وبما أن مساحة المقطع العرضي هي \(bc\)، فإن \[ \mathbf j=\frac{I}{bc}\hat{\mathbf x}, \qquad \mathbf v_e=-v_d\hat{\mathbf x}, \qquad v_d=\frac{I}{nebc}. \]
يربط قانون الحركية المعطى مقدار السرعة بمقدار المجال. وفي الصيغة المتجهة، تنجرف الإلكترونات في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي عند غياب المجال المغناطيسي.
في نموذج الحركية المعتاد المتساوي الخواص، تُحدث التصادمات قوة مقاومة متوسطة \(-e\mathbf v_e/\mu\). لذلك يكون اتزان القوى في الحالة المستقرة عند وجود المجالين معًا على الصورة \[ 0=-e\left(\mathbf E+\mathbf v_e\times\mathbf B\right) -\frac{e}{\mu}\mathbf v_e. \] ومن ثم، \[ \mathbf E=-\frac{\mathbf v_e}{\mu}-\mathbf v_e\times\mathbf B. \]
عندما يكون \(\mathbf B=B\hat{\mathbf z}\)، نجد \[ \mathbf v_e\times\mathbf B =(-v_d\hat{\mathbf x})\times(B\hat{\mathbf z}) =v_dB\hat{\mathbf y}, \] ومن ثم \[ \boxed{\mathbf E=\frac{v_d}{\mu}\hat{\mathbf x} -v_dB\hat{\mathbf y}.} \]
تحافظ المركّبة الطولية على الانجراف في مواجهة التصادمات. وتوازن المركّبة العرضية القوة المغناطيسية. وعلى وجه التحديد، تدفع القوة المغناطيسية الإلكترونات في البداية نحو الوجه \(-y\)؛ ويولّد تراكمها المجال المطلوب في الاتجاه \(-y\).
عدديًا، \[ bc=(1.0\times10^{-2})(1.0\times10^{-3}) =1.0\times10^{-5}\ \mathrm{m^2}, \] \[ v_d= \frac{1.0} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-5})} =25\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \] إذن \[ E_x=\frac{25}{7.8}=3.2\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_y=-25(0.10)=-2.5\ \mathrm{V\,m^{-1}}, \qquad E_z=0. \]
المقدار هو \[ E=\sqrt{E_x^2+E_y^2} =\frac{I}{nebc\mu}\sqrt{1+(\mu B)^2} =\boxed{4.1\ \mathrm{V\,m^{-1}}}. \] وتحقق الزاوية المقيسة من \(+\hat{\mathbf x}\) نحو \(-\hat{\mathbf y}\) العلاقة \[ \tan\theta=\frac{|E_y|}{E_x}=\mu B=0.78, \] فتكون \[ \boxed{\theta=38^\circ}. \]
b) فرق الجهد العرضي
نختار نقطتين متقابلتين على الوجهين المتقابلين في اتجاه \(b\)، ولهما الإحداثي الطولي نفسه. وبما أن \(\mathbf E=-\boldsymbol{\nabla}V\)، فإن \[ U_H=-\int_{-b/2}^{b/2}E_y\,dy =-E_yb=v_dBb. \] بالتعويض عن مقدار سرعة الانجراف نحصل على \[ \boxed{U_H=\frac{IB}{nec}.} \]
عدديًا، \[ U_H= \frac{(1.0)(0.10)} {(2.5\times10^{22})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-3})} =\boxed{0.025\ \mathrm V=25\ \mathrm{mV}}. \]
تتراكم الإلكترونات على الوجه \(-y\) ويكون عند جهد أدنى؛ أما الوجه \(+y\) فيكون عند جهد أعلى.
c) المركّبة المستمرة لتيار ومجال مغناطيسي متناوبين
نفترض تشغيلًا شبه ساكن: يتبع انجراف الإلكترونات وتوزيع شحنة هول الإشارات المطبّقة بسرعة كافية، ويكون الجهد المستحث في أسلاك قياس الجهد مهملًا. عندئذ يكون جهد هول اللحظي \[ U_H(t)=\frac{I(t)B(t)}{nec} =\frac{I_0B_0}{nec}\sin\omega t\,\sin(\omega t+\delta). \]
باستخدام \[ \sin A\sin B=\frac12\left[\cos(A-B)-\cos(A+B)\right], \] نحصل على \[ U_H(t)=\frac{I_0B_0}{2nec} \left[\cos\delta-\cos(2\omega t+\delta)\right]. \]
متوسط الحد الثاني على مدى دورة يساوي صفرًا. ومن ثم \[ \boxed{U_{H,\mathrm{DC}} =\overline{U_H} =\frac{I_0B_0}{2nec}\cos\delta.} \] وبصورة مكافئة، \[ \overline{U_H} =\frac{I_{\mathrm{rms}}B_{\mathrm{rms}}}{nec}\cos\delta. \]
يحتوي الخرج على مركّبة مستمرة وتموّج بتردد يساوي ضعف التردد المطبّق. وتنعدم مركّبته المستمرة عندما يكون فرق الطور بين إشارتي الدخل ربع دورة.
d) دائرة لقياس قدرة التيار المتناوب
تجعل النتيجة في الجزء c) عنصر هول مضاعِفًا: إذ يتناسب جهده العرضي مع حاصل ضرب تياره الطولي في المجال المغناطيسي.
تتضمن دائرة مناسبة التوصيلات الآتية:
-
نصل ملفًا مولّدًا للمجال على التوالي مع الجهاز. ونضع قضيب هول داخل الملف، بحيث يكون اتجاه \(c\) فيه موازيًا للمجال. نستخدم ملفًا ذا استجابة خطية، ويفضَّل أن يكون ذا قلب هوائي، بحيث \[ B(t)=k_I i_L(t), \] حيث \(i_L(t)\) هو تيار الجهاز و\(k_I\) هو ثابت المجال للملف.
-
نصل فرعًا منفصلًا بين طرفي شبكة التيار المتناوب، يتكوّن من مقاومة كبيرة غير حثية \(R\) موصولة على التوالي مع نقطتي التلامس الطرفيتين الطوليتين لقضيب هول. تُستنتج مقاومة القضيب الطولية من الجزء a): \[ r_H=\frac{E_xa}{I_H}=\frac{a}{ne\mu bc}. \] وهكذا، مع إهمال مفاعلة الفرع، \[ I_H(t)=\frac{u(t)}{R+r_H}=k_Uu(t). \] يتيح اختيار \(R\gg r_H\) الحصول على \(k_U\simeq1/R\)، ويحدّ من تيار الاستشعار.
-
نصل نقطتي تلامس هول المتقابلتين على الوجهين المتقابلين في اتجاه \(b\)، عند الموضع الطولي نفسه، بفولتمتر ذي معاوقة دخل عالية يقيس القيمة المتوسطة. ويمكن أيضًا استخدام مرشّح تمرير منخفض مزوّد بعازل فعّال، يتبعه مقياس للجهد المستمر. نأخذ المتوسط على مدى دورات عديدة للتيار المتناوب.
نهمل هبوط الجهد عبر ملف المجال وتأثير التحميل الناتج عن فرع استشعار الجهد. عندئذ يكون \(u(t)\) أيضًا جهد الجهاز، ويكون \[ U_H(t)=\frac{I_H(t)B(t)}{nec} =\frac{k_Uk_I}{nec}\,u(t)i_L(t). \] ولذلك يكون متوسطه \[ \boxed{\overline{U_H}=\frac{k_Uk_I}{nec}\, \overline{u(t)i_L(t)} =\frac{k_Uk_I}{nec}P.} \]
في حالة التشغيل الجيبي، نكتب \[ u(t)=U_0\sin\omega t,\qquad i_L(t)=I_{L0}\sin(\omega t-\varphi). \] عندئذ \[ P=\frac{U_0I_{L0}}2\cos\varphi =U_{\mathrm{rms}}I_{L,\mathrm{rms}}\cos\varphi. \] وبالتالي يقيس المقياس القدرة المتوسطة المستهلكة، مع مراعاة اعتمادها على معامل القدرة. وتكون معايرته بالواط وفق العلاقة \[ \boxed{P=\frac{nec}{k_Uk_I}\,\overline{U_H}.} \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.