Эффект открытия

Эффект Доплера для чайников: суть явления, применение, формула

Эффект Доплера – важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.

Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия.

Волна — это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой, длиной и частотой.

Звук, который мы слышим — это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе — добро пожаловать в отдельную статью нашего блога.

Суть эффекта Доплера

Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, вы стоите на остановке. К вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова.

Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера.

Эффект Доплера

Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.

Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав.

Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.

Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:

• Акустический эффект Доплера;
• Оптический эффект Доплера;
• Эффект Доплера для электромагнитных волн;
• Релятивистский эффект Доплера.

Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов.

В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом.

Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы.

Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).

Первые эксперименты по подтверждению эффекта Доплера

Применение эффекта Доплера

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.

Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.

При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Красное и синее смещение при приближении и отдалении объектов

Формула для эффекта Доплера

Когда теорию эффекта Доплера подвергали критике, одним из аргументов оппонентов ученого был факт, что теория помещалась всего на восьми листах, а вывод формулы эффекта Доплера не содержал громоздких математических выкладок. На наш взгляд, это только плюс!

Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с  — скорость распространения волн в среде, w0 — частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:

Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.

Релятивистский эффект Доплера

В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени.

Пусть света – с, v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника.

Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:

Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у специалистов студенческого сервиса, и они охотно поделятся своим опытом! А в конце — еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.

Эффект Мессбауэра: открытие эффекта и его значение

Статья рассказывает о том, что такое эффект Мессбауэра. А также раскрываются такие понятия, как квант, уровень энергии в атоме и атомном ядре, твердое тело и коллективные квазичастицы в нем.

Математическая забава

Прорыв в физике, который произошел в первое десятилетие двадцатого века, потребовал от ученых серьезных знаний в математике. Многие открытия были выведены, что называется, на кончике пера: сначала они были вычислены теоретически и только потом обнаружены на практике.

Например, наличие гравитационных волн, предсказанное Эйнштейном в 1910 году, смогли подтвердить экспериментально только в 2016 году. Слияние двух нейтронных звезд породило дрожь пространства, которую земные физики уловили и зафиксировали, открыв эру гравитационных измерений в науке человечества.

Не зря здесь упоминается гравитация: именно для таких исследований имеет эффект Мессбауэра значение. Но это скорее исключение, чем правило.

Таким «побочным» явлением стало и предположение Макса Планка, высказанное в конце 1900 года. Оно гласило, что в мире электронов и атомных ядер все величины могут принимать только дискретные значения, то есть квантоваться.

Причем, по его собственному убеждению, это было всего лишь математическим трюком, который делал вычисления более удобными. До конца жизни он считал, что квант, или наименьшая возможная порция, например света, — только подходящий способ описания, не несущий серьезного физического смысла.

Однако другие ученые, заинтересованные в адекватном описании происходящего в масштабах атома, рассмотрели потенциал такого вывода и приняли за аксиому, что квантуется все. Электроны вокруг ядер могут находиться только на определенных орбитах, сами атомные ядра могут иметь только конкретные уровни энергии.

Перескакивая между ними, ядра порождают гамма-кванты. Эффект Мессбауэра утверждает, что данное действие должно порождать своего рода отдачу, однако этого не происходит. Вообще все величины, которые описывают поведение наномира, подвержены квантованию – то есть дискретны.

Однако не стоит забывать, что импульс, который в макромире выражается как произведение массы на скорость, для элементарной частицы является чем-то принципиально иным, а значит, он тоже квантуется. Так что в науке доклад, на котором Макс Планк вывел свою знаменитую формулу, содержащую величину h, или минимальное действие, открыл новую эру.

Это была эра квантовой физики. Эффект Мессбауэра, интерпретация, которую впоследствии дали этому явлению, стали одной из важнейших вех науки двадцатого века.

Открытие эффекта Мессбауэра

Как мы уже отмечали выше, теоретические выводы шли рука об руку с экспериментом. Некоторые практические выводы доказывались на установках, собранных буквально «на коленке» и из подручных материалов. Ученые должны были уметь не только выводить формулы, но и запаивать колбы, пилить доски, работать с металлом и собирать установки.

Конечно, главы лабораторий только обобщали результаты своих подопечных. Однако каждый экспериментатор был еще и инженером, так как приборы разрабатывались под конкретные цели и непосредственно в процессе исследования. Не стал исключением и эффект Мессбауэра.

Открытие его не состоялось бы, если бы упрямый докторант Рудольф Мессбауэр не поменял способ измерения, охлаждая установку, вместо того чтобы нагревать ее, как советовал научный руководитель.

Твердое тело

Теория, о которой мы расскажем читателям в этом разделе, на первый взгляд кажется понятной. Однако, как известно, легкость всегда добивается неимоверными усилиями. И чтобы мы сейчас могли рассказать простыми словами, что такое эффект Мессбауэра для чайников буквально, когда-то трудились целые лаборатории.

Под твердым телом обычно подразумевается вещество в кристаллическом состоянии. Ядра атомов в этом случае образуют строгую периодическую решетку, тогда как электроны в той или иной степени обобщены.

Конечно, в кристаллах металлов образуется весьма специфическая металлическая связь, благодаря которой ядра существуют как бы отдельно от обобщенных электронов. Электронное облако живет по своим независимым законам, не обращая внимание на поведение кристаллической решетки.

Свойства твердого тела задаются не только химическими элементами, которые в них входят, но и симметрией расположения атомов относительно друг друга.

В классическом примере углерода одна структура порождает мягкий графит, а другая – самый твердый природный материал – алмаз. Так что тип соединения и симметрия элементарной ячейки много значат для твердого тела.

В свойствах именно твердого тела и заключается раскрытие того, что такое эффект Мессбауэра. Природа его объясняется следующим: все атомы в твердом теле связаны.

Коллективные квазичастицы

Теперь представьте себе достаточно большую трехмерную решетку. Для модели больше всего подходит соль: Na и Cl расположены в вершинах кубиков, сменяя друг друга. Если каким-то образом захватить один атом и потянуть его, сдвинуть с привычного места равновесия, благодаря достаточно жесткой связи, вслед за ним потянутся соседние атомы.

Расчеты показывают, что изменение положения одного ядра оказывает хоть сколь-нибудь существенное воздействие на соседей третьего порядка. Это означает, что если «ухватить» натрий, за ним потянутся соседние атомы хлора, следующие за ним атомы натрия и еще один самый дальний слой хлора. Воздействие это, очевидно, будет распространяться во все стороны.

Обычно говорят, что возмущения соседей четвертого порядка пренебрежимо малы. Однако они не равны нулю.

Следовательно, если каким-то образом «стукнуть» кристалл посильнее (например, направить на него лазер или пучок электронов), кристаллическая решетка пойдет «волнами». Такие коллективные движения, когда многие соседние атомы кристалла одновременно испытывают смещение, например, вверх или вниз, называются фононами.

Чтобы доступно описать, что такое эффект Мессбауэра для чайников, мы не будем вдаваться в подробности и просто расскажем, что фононы, как выяснилось, ведут себя как элементарные частицы. Например, их энергия квантуется, они обладают длиной волны, импульсом, и они способны взаимодействовать друг с другом.

Таким образом, фононы получили название коллективных квазичастиц. Их количество и качество задается структурой твердого тела, в котором они возникают. Рассчитать это можно, зная размер, симметрию и типы атомов элементарной ячейки.

На возникновение фононов также влияют длины и типы связей между ионами в кристаллической решетке.

Зонная теория

Так как твердое тело обобщает все свои электроны, то и орбитали (а значит, и их энергии) тоже должны обобщаться. Для начала надо вспомнить, что электроны относятся к такому классу частиц, которые называются фермионами.

Ферми, Дирак и Паули совместно выяснили, что в одном состоянии может находиться в данной системе только одна частица такого рода. Если вернуться к примеру соли, то каждый кристалл, которым мы посыпаем суп или мясо, содержит неимоверное количество ионов натрия и хлора.

И у каждого из них одинаковое количество электронов, которые вращаются по идентичным орбитам.

Таким образом, получается: в кристалле существует невероятно много уровней энергии, которые отличаются друг от друга настолько мало, что образуют спрессованную зону. Возмущения, которое вносят фононы, небольшие, так как один атом колеблется не очень сильно. Значение имеет только коллективное движение как единого целого. Поэтому энергия фонона как бы «растворяется» в энергии зоны. На этом и основывается эффект Мессбауэра.

Движение заряженных частиц сопровождается появлением электромагнитного поля. Данный факт ставит, например, вопрос, почему один планеты и спутники им обладают, а другие – нет. Электромагнитные волны принято подразделять на классы по их частоте и, соответственно, энергии. Эти две характеристики связаны между собой, а также зависят от длины волны.

Что такое эффект Мессбауэра кратко рассказать можно лишь при условии, что читатель понимает, где на электромагнитной шкале расположено гамма-излучение. Итак, открывают шкалу радиоволны. Теоретически предел их длины волны – размеры вселенной. Однако энергия таких излучений была бы настолько мала, что ее невозможно зарегистрировать. Чуть выше частота у терагерцового излучения.

Однако и оно, и радиоволны наблюдаются в весьма специфических условиях: торможение электронов в магнитном поле, изгибные колебания полимеров, движение экситонов в твердом теле. Более понятна следующая часть электромагнитного спектра – инфракрасное излучение. Оно передает энергию в виде тепла. Еще выше энергия у видимого излучения.

Та часть спектра, которую воспринимает человеческий глаз, весьма мала по сравнению со всей шкалой.

Красный свет несет наименьшую энергию, а фиолетовый – наибольшую. В связи с этим известен парадокс: более холодная вода обозначается синим цветом, энергия которого выше, чем у красного излучения.

Следующий за этим ультрафиолетовый участок электромагнитной шкалы уже обладает достаточно высокой частотой, чтобы проникать в твердое тело. Несмотря на то что люди, как и другие живые существа нашей планеты, не воспринимают ультрафиолет, его значение для нормального функционирования биологических организмов огромно.

Основным источником ультрафиолетового изучения является Солнце. Более высокой энергией и способностью проникать сквозь многие вещества имеет рентген. Источником такого излучения является торможение электронов в электромагнитных полях. При этом электроны могут быть как связанными, то есть принадлежать атомам, так и свободными.

В медицинских аппаратах стоят устройства на свободных электронах. И наконец, самым жестким и самым коротковолновым является гамма-излучение.

Рентген и гамма

Эффект Мессбауэра и его применение в физике и технике требует различать гамма-кванты и рентгеновское излучение. По уровню энергии и, соответственно, длине волны они в очень широком спектре перекрываются. То есть существует и гамма, и рентгеновское излучение с длиной волны 5 пикометров.

Различаются способы их получения. Как уже пояснялось выше, рентгеновское излучение возникает при торможении электронов. Кроме того, в некоторых процессах (в том числе ядерных) исчезает электрон с внутренней оболочки достаточно тяжелого атома, например, урана.

При этом другие электроны стремятся занять его место. Такие переходы и становятся источником рентгеновского излучения. Гамма-кванты являются результатом переходов самого ядра из более возбужденного состояния.

Однако на практике выяснилось, что при взаимодействии гамма-кванта с ядром атома, принадлежащего твердому телу, отдача отсутствует. Объясняется это тем, что дополнительная энергия как бы «размазывается» по электронным зонам кристалла, порождая фонон.

Изотопы

Эффект Мессбауэра и его применение тесно связаны с одним удивительным фактом: явление действует не на все химические элементы периодической таблицы. Мало того, он существенен только для некоторых изотопов веществ. Если читатель вдруг забыл, что такое изотопы, напомним.

Известно, что любой отдельно взятый атом электронейтрален. Это значит, что в ядре положительных протонов столько же, сколько в оболочке электронов. Однако ядро содержит еще и нейтроны, частицы без заряда.

Если изменить их число в ядре, электронейтральность не нарушится, однако свойства такого атома слегка изменятся. Кроме того, бывает, что более тяжелый изотоп радиоактивен и склонен распадаться, тогда как обычное вещество вполне устойчиво.

Совершенно конкретен список элементов и их изотопов, для которых характерен эффект Мессбауэра. Обнаружение 57Fe, например, обычно доверяют именно этому явлению.

Польза квантовых эффектов

Произвести опыт, в котором подтверждается та или иная гипотеза, относящаяся к микромиру, зачастую бывает непросто. К тому же непонятно, какую пользу может принести тот же эффект Мессбауэра? Применение у него, однако, достаточно широкое.

Исследование свойств кристаллических веществ, аморфных тел и мелко растолченных порошков происходит, в том числе и с помощью этого квантового явления. Такие данные требуются как в достаточно далеких от практики разделах (теоретическая физика), так и в весьма близких человеку дисциплинах – например, медицине.

Таким образом, эффект Мессбауэра и его применение стоит рассматривать как пример теоретического открытия, которое приносит немало пользы даже в повседневной жизни.

Фотоэффект

Подробности Категория: Фотометрия 15.02.2015 19:27 8507

Испускание электронов веществом под действием света называется фотоэффектом.

Явление фотоэффекта демонстрирует простой опыт.

Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние.

Это говорит о том, что заряд исчез  с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе.  Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым.

Александр Григорьевич Столетов

Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?

Мы знаем, что свет — это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц нов. Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем.

При поглощении фотон отдаёт электрону свою энергию. Получив эту  энергию, электрон совершает работу и покидает поверхность металла.

Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.

История открытия

Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.

В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите).

Александр Эдмонд Беккерель

В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.

Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц  заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.

Генрих Герц

В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.

Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод, сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса.

Другой диск, анод, представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение. Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух.

К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.

Опыт Столетова

Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.

В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами.

А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект

Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом, или фотоэлектронной эмиссией. Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами. Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком.

Первый закон фотоэффекта

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока. Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.

Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.

Второй закон фотоэффекта

Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:

Е = h·ν,где ν — частота падающего фотона; h — постоянная Планка.

Получив энергию Е, электрон совершает работу выхода φ. Остальная часть энергии — это кинетическая энергия фотоэлектрона.

Из закона сохранения энергии вытекает равенство:

h·ν=φ + We, где We — максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.

h·ν=φ + mv2/2

Третий закон фотоэффекта 

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света νmin (или максимальная длина волны λmax), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ νmin, то фотоэффект уже не происходит.

Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света νmin. При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта, начинается испускание электронов. 

h· νmin = φ.

Если частота фотона ниже νmin, его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.

Внутренний фотоэффект

Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).

К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект, или фотоэффект в запирающем слое. Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело — полупроводник или электролит.

Применение фотоэффекта

Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами. Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.

Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки.

Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду.

Их используют в телескопах и солнечных батареях.

Эффект Холла

Эффект Холла – явление возникновения разности потенциалов на краях металлической пластины под действием магнитного поля при пропускании через неё электрического тока. Сегодня используется в клавиатурах, стиральных машинах, автомобилях. Интересна статья про датчики Холла.

История открытия эффекта

Об открытии Эдвином Холлом столь специфичного эффекта известно мало. По какой-то причине столь значительное событие не обсуждается в литературе.

Раздел про датчики Холла упоминает, что Эдвин сделал ключевые наблюдения в период соискания степени доктора наук Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Событие произошло в 1879 году.

Это все, что отыщется в литературе касательно вопроса истоков великого открытия.

Эдвин Холл

Упоминается источник, не столь обсуждаемый. Это заметка, датированная 19 ноября, в осеннем Американском журнале математики 1879 года (т. 2, № 3). Эдвин говорит на страницах 287-292 издания:

«За последний год я много занимался изучением Максвелловского Электричества и магнетизма, лекций профессора Роуланда. Отдельные строки задели внимание! «Нужно скрупулёзно отметить факт, что сила, действующая на проводника с током, расположенный поперёк линий магнитного поля, приложена непосредственно к материалу.

И если приложить напряжение к диску или жидкости, материал станет двигаться послушно оказанному влиянию в полной мере, причём характер перемещения может оказаться согласован с формой электрического тока либо находиться с ней в диссонансе. Постоянная магнитная сила действует на поток заряженных частиц.

Если бы ток умел выбирать путь сквозь толщу материала, то через время вернулся бы на прежнюю траекторию. Единственной реальной движущей силой становится ЭДС источника.»

По простой причине, что сила, действующая на провод с током, зависит от скорости течения зарядов. В противовес этому форма и конфигурация материала обретают малое значение.

В свою очередь, взаимодействия между зарядами объясняются их величиной и знаком, что известно со времён Шарля Кулона.

После трудов Максвелла на глаза Эдвину Холлу попадается заметка профессора Эдлунда под названием «Униполярная индукция» (Annales de Chemie et de Physique, январь 1879).

По тексту доказывался факт, что магнит действует на зафиксированный проводник с током аналогичным усилием, как на свободно подвешенный. Холл переадресовал вопрос профессору Роуланду и получил в ответ сообщение о занятости учёного мужа на данный момент.

Эдвин получил в собственное распоряжение достойную размышлений загадку. Совместно с профессором Холл разработал методику эксперимента:

Если ток не сохранит постоянного пути движения по проводу под действием магнитного поля, плотность зарядов к одному боку станет выше. Что закономерно увеличит сопротивление проводника. Следовательно, останется воспользоваться законом Ома для проверки гипотезы.

Для реализации опыта выбрана плоская спираль из проволоки (диаметром порядка половины миллиметра) нейзильбера (напоминающая по форме катушку Тесла) общим сопротивлением 2 Ом, зажатая между двумя прокладками из плотной резины. Лист решили поместить между двумя полюсами магнита обширной площади.

Так, чтобы линии напряжённости поля в каждой точке оказались перпендикулярны направлению протекания тока. Электромагнит питался от 20 элементов Бунзена, соединённых по 4 последовательные цепочки в 5 ветвей.

Результирующая напряжённость превышала в десятки тысяч раз горизонтальную составляющую магнитного поля Земли.

1. Измерение сопротивления с включённым магнитом.
2. Аналогично с выключенным магнитом.
3. П. 1 со сменой полярности линий напряжённости магнитного поля.
4. Повторяет п. 2.

Измерения показали, что магнитное поле способно снижать и увеличивать сопротивление. Максимальный прирост составил пятнадцать сотых, среднее значение по итогам опытов оказалось намного меньше (пять миллионных долей).

Стало ясно, что осуществлённых действий недостаточно, чтобы сделать определённые утверждения. Очевидно, что ток вряд ли признаётся несжимаемой субстанцией, как считали прежде.

Требовалось понять, почему результаты первых опытов столь различны по значению и направлению изменения сопротивления.

Возникновение разности потенциалов

Первый датчик Холла

Первый датчик Холла сконструирован профессором Роуландом. В той же форме, в которой устройство применяется поныне. Видя, что опыты Эдвина (и его собственные) не приводят к результату, лектор предложил старую модель эксперимента, проделанного годами ранее (описана конструкция датчика Холла):

1. В электрическую цепь включается проводящий диск (либо пластина другой формы).
2. При помощи гальванометра находятся две эквипотенциальные точки по бокам фигуры.
3. Включается электромагнит, линии напряжённости поля которого лежат в перпендикулярной диску плоскости.
4. Фиксируются изменения показаний гальванометра.

Предполагалось засечь признаки изменений при изменении условий протекания тока. В эксперименте использовался датчик Холла в нынешнем исполнении, но опыт не удался. Принято считать, что виновата слишком большая толщина диска.

Профессор довёл это до сведения Эдвина и высказал мнение, что ситуация поправима, если использовать тонкий золотой лист, смонтированный на стеклянном основании (для исключения деформации металла полем).

Поставленный 28 октября опыт полностью удачный, удалось зафиксировать стабильное отклонение иглы гальванометра при действии магнитного поля на пластинку с током.

И хотя движение оказывалось перманентным, быстро пропадало, нельзя было отнести это на магнитную индукцию (из опытов Фарадея). Быстро исключили погрешность, вносимую поле электрических соленоидов. На горизонте явно маячило открытие. Замечательно, что при изменении полярности магнита эффект инвертировался. Для установления количественных зависимостей аппарат слегка усовершенствовали:

• Прочный контакт источника питания обеспечивался с каждой стороны пластинами латуни, хорошо отполированными и тщательно припаянными к золоту (9х2 см).
• В центре остался чистый металл: область длиной 5,5 см и по всей ширине. Здесь через золото проходили линии магнитного поля.
• Контакты высокоомного гальванометра Томсона подходили по краям, равноудалённо от латунных пластин.

Результаты измерений Холла

В ходе эксперимента измерялись магнитное поле соленоидов, токи через пластину и гальванометр.

Результат оформлялся в виде таблицы, представленной на рисунке, показывающей, что Эдвину Холлу удалось получить первые закономерности. Это случилось 12 ноября 1879 года.

Точные значения важны далеко не всегда. Сегодня датчики Холла активно применяются в качестве индикаторов отсутствия или наличия магнитного поля. К примеру, в клавиатурах или двигателях стиральных машин.

Применение эффекта Холла на практике

Уже сказано (см. датчики Холла), что первые промышленные приложения эффекта Холла нашли себе путь в жизнь во второй половине XX века. Сегодня чуть более половины доли сегмента приходится на автомобильную промышленность. Точнее – передовые технологии в остальные области приходят оттуда. К примеру, модули ASIC и ASSP.

Ведущая роль на десятые года XXI века принадлежит компании Asahi Kasei Microsystems (АКМ), поставляющей компасы для мобильных устройств на основе эффекта Холла. Среди промышленных гигантов отметим Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Среди датчиков магнитного поля основанные на эффекте Холла занимают почётную долю в 87%.

Часто датчик включается в состав микросхемы. Историческим предком является серия КМОП. На её основе выпущены интегрированные в кристалл датчики для измерения угла положения дроссельной заслонки, руля, скорости вращения распределительного и коленчатого вала.

Широко значение технологии в работе вентильных двигателей, где по угловому положению ротора нужно коммутировать определённым образом обмотки. Измерением величины поля занимаются новейшие 3D-датчики, определяющие угловое и линейное положение системы магнитов.

Прежде фиксировался просто факт наличия или отсутствия объекта в поле зрения. Это нужно для успешной конкуренции с магниторезистивной технологией.

Сегодня последним писком моды считаются программируемые конструкции, куда посредством кода заносятся разные функции. Датчики могут использоваться различными способами. К примеру, по взаимному положению чувствительной площадки и магнита различают режимы:

1. Лобовой. В этом случае магнит находится прямо напротив датчика, удаляясь от него или приближаясь по прямой линии. Поле зависит квадратично от дистанции и закон выходного сигнала от дальности напоминает гиперболу. Такой режим называется униполярным, напряжённость не может поменять направление.
2. Скольжение. В этом случае между чувствительной площадкой и магнитом имеется некий зазор. Эта координата остаётся неизменной. А магнит может скользить параллельно датчику по одной оси. Поле в этом случае не меняется, а зависимость выходного сигнала от координаты близка к гауссовому распределению. Направление напряжённости не меняется, посему режим также называют униполярным.
3. Биполярное скольжение. Иногда требуется узнать, в какую именно сторону отклонился магнит. А не только определить дистанцию. В этом случае магнит используется подковообразный. Соответственно, полюсы вызывают отклики разной полярности. Что и дало название режиму.

Данные режимы периодически используются в комбинации.

К примеру, когда требуется точно позиционировать магнит относительно датчики (при помощи исполнительных устройств), чувствительность оборудования повышается крутой характеристикой зависимости выходного сигнала от координат.

Применяются магниты из трёх полос с чередованием полюсов. Крайний спуски графика получаются пологими, а центральный пик резко выражен. Чем достигается точное позиционирование системы.

Для усиления линий напряжённости, придания чётко выраженного направления применяются полюсные наконечники. Это куски металла из мягких ферромагнитных сплавов. По мере приближения магнита линии начинают стремиться к участку, образуя зазор, где остаются прямыми.

Это упрощает срабатывание и уменьшает требования к чувствительности датчика.

Добавим, что по структуре выходного сигнала сенсоры бывают аналоговыми и цифровыми. В последнем случае система легко сопрягается с автоматикой, а измеренный сигнал уже не теряет точности, будучи переданным на обработку.