Эффект Холла

Предположим, что по пластине проводника, имею­щей ширину a и толщину b, течет ток плотностью i. Выбе­рем на боковых сторонах пластины точки C и D, разность потенциалов между которыми равна нулю. Если эту пластину поместить в магнит­ное поле с индукцией B, то между точками C и D возникает разность потенциалов V_Х, называемая э. д. с. Холла. В не слишком сильных полях

V_x = r_h Bai

Коэффициент пропорциональности r_h называют постоянной Холла. Она имеет размерность L³/Q (L — длина, Q — электрический заряд) и измеряется в кубических метрах на кулон, (м³/Кл). Рассмотрим физическую природу эффекта Холла.

На электрон, движущийся справа налево со скоростью v, действует сила Лоренца Fл: Fл = qvB

Под действием силы Лоренца электроны отклоняются к внешней грани пластины, заряжая ее отрицательно. На противоположной грани накапливаются нескомненсированные положительные заряды. Это приводит к возникновению электрического поля, направленного от C к D. Поле E_Х действует на электроны с силой f = qE_x, направленной против силы Лоренца. При f — F_л поперечное электрическое поле уравновешивает силу Лоренца и дальнейшее накопление электрических зарядов на боковых гранях пластины прекращается.

Эффект Холла получил наи­более широкое практическое применение из всех гальваномагнитных явлений. По­мимо исследования электрических свойств материалов он послужил основой для устройства большого класса приборов: магнитометров, преобразователей постоянного тока в переменный и переменного в по­стоянный, усилителей постоянного и переменного тока, генерато­ров сигналов переменного тока, фазометров, микрофонов и т. д.

Полупроводниковые лазеры (КПД > 90%)

В последние годы интенсивно разви­ваются работы по созданию полупроводниковых источников когерент­ного излучения — полупроводниковых лазеров, которые открывают возможность непосредственного преобразования энергии электриче­ского тока в энергию когерентного излучения.

На рис. а сплошной линией показана кривая распределения электронов, отвечающая равновесному состоянию, пунктиром — неравновесному состоянию, при котором концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне выше равновесной. За­полнение зон электронами, соответствующее такому инверсионному состоянию, показано на рис. б. Особенность его заключена в том, что кванты света с энергией, равной ширине запрещенной зо­ны, поглощаться системой не могут. Поглощение та­кого кванта должно сопровождаться переводом электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости. Так как на верхнем уровне валентной зоны электронов практически нет, а на нижнем уровне зоны проводимости нет свободных мест, то вероят­ность подобного процесса весьма низка. Это создает благоприятные условия для протекания стимулированного излучения и нарастания фотонной лавины. Квант света стимулирует рекомби­нацию электрона и дырки (n-переход), сопровождающуюся рождением точно такого же кванта. Так как эти кванты практически не погло­щаются системой, то в дальнейшем они оба участвуют в возбуждении стимулированного излучения, порождая два новых кванта, и т. д. Для того чтобы заставить один и тот же фотон участвовать в возбуждении стимулированного излучения многократно, на противоположных стен­ках рабочего тела лазера помещают строго параллельные одно другому зеркала (рис. в), которые отражают падающие на них фото­ны и возвращают их в рабочий объем лазера. Усилению подвергаются только те фотоны, ко­торые движутся практически строго вдоль оси, так как только эти фотоны испытывают многократные отражения от зеркал. Все другие фотоны выбывают из рабочего объема либо сразу, либо после незначительного числа отражений. В результате возникает остронаправленное излучение вдоль оси, характеризующееся вы­сокой степенью монохроматичности.

Полупроводниковые лазеры обладают высоким к. п. д., который приближается к 100%. Другим замечательным свойством полупроводниковых лазеров является возможность прямой модуляции когерентного излучения изменением тока, текущего через p-n-переход. Это позволяет при­менять полупроводниковые лазеры для целей связи и телевидения.