Масс-спектрограф
В 1919 году английский учёный Ф.В. Астон сконструировал прибор, который позволял разделять химические элементы и их изотопы по величине удельного заряда.
П
учок
ионов последовательно попадает в
электрическое и магнитное поля,
направленные так, чтобы они отклоняли
ионы в противоположные стороны. При
прохождении электрического поля ионы
с данным значением (q/m)
отклоняются тем сильнее, чем медленнее
они двигаются. Поэтому из электрического
поля ионы выходят в виде расходящегося
пучка. В магнитном поле траектории ионов
искривлялись тем сильнее, чем медленнее
они двигались. Так как направления
отклонения полями были противоположны,
то после выхода из магнитного поля ионы
образуют пучок, сходящийся в одной
точке, соответствующей данному значению
удельного заряда (q/m)i.
Ионы с другими значениями удельного заряда фокусируются в других точках. Причём все фокусы лежат на одной прямой. Помещая вдоль этой прямой фотопластинку, можно получить на ней ряд полос, каждая из которых соответствует определённому значению q/m.
В настоящее время существует много типов масс-спектрографов. Если ионы регистрируются не на фотопластинку, а с помощью электрического устройства (коллектора), то такие приборы называются масс-спектрометрами.
Эффект Холла
Если проводящую
пластинку, вдоль которой течет постоянный
электрический ток, поместить в
перпендикулярное к ней магнитное поле,
то между гранями, параллельными
направлениям тока и поля, возникает
разность потенциалов. Это
эффект
Холла.
Поместим пластинку с током плотностью
в магнитное поле
,
перпендикулярное
.
В металле носителями тока являются
свободные электроны. Их скорость
направлена справа налево.
Электроны испытывают
действие силы Лоренца
,
которая направлена вверх (направление
определяется векторным произведением
,
с учетом того, что ток переносится
электронами). В результате действия
силы Лоренца у электронов появится
составляющая скорости, направленная
вверх. У верхней грани пластины образуется
избыток отрицательных зарядов, а у
нижней – избыток положительных зарядов.
В результате возникает поперечное
электрическое поле. Стационарное
распределение зарядов в поперечном
направлении установится при таком
значении напряженности электрического
поля
,
что его действие на заряды будет
уравновешивать силу Лоренца. Возникшую
при этом поперечную холловскую разность
потенциалов
можно вычислить из условия установившегося
стационарного распределения зарядов:
,
следовательно
где - высота пластинки.
Учитывая, что сила
тока в пластинке
,
получим:
,
– площадь поперечного сечения пластинки
(размеры пластинки обозначены на
рисунке).
Величина
постоянная Холла, зависящая от вещества.
Окончательно можно записать:
Данное выражение для холловской разности потенциалов получено для металлов в предположении, что проводящая пластина помещена в сильное магнитное поле (порядка 1 Тл). В общем случае постоянную Холла следует записать в виде:
В сильных магнитных полях A = 1. В слабых полях и в полупроводниках в зависимости от природы рассеяния носителей тока А может изменяться от 1,18 (рассеяние на тепловых колебаниях кристаллической решётки) до 1,93 (рассеяние на ионах примесей).
При равной
концентрации носителей заряда обеих
знаков, как наблюдается у собственных
полупроводников,
также возникает, если различна подвижность
носителей заряда (электронов и дырок).
Подвижность – это средняя скорость,
приобретаемая носителями тока, при
напряжённости электрического поля
равной 1 В/м.
Как можно использовать эффект Холла? Из выражения для можно определить . Знание постоянной Холла позволяет:
а) найти концентрацию и подвижность носителей тока в веществе;
б) судить о природе проводимости полупроводников (знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда носителей тока).
Датчики Холла используются для измерения величины магнитного поля, применяются в измерительной технике для иных целей.