Tác động của Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall là một hiện tượng vật lý xảy ra khi áp dụng từ trường vuông góc lên một thanh kim loại, chất bán dẫn, hoặc chất dẫn điện có dòng điện chạy qua. Khi đó, một hiệu điện thế (hiệu thế Hall) xuất hiện ở hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu của thanh Hall. Hiệu ứng này được Edwin Herbert Hall phát hiện vào năm 1879. (tác động của lực chân không h=π*1/325147) 1cm=1000mm.

Cơ chế hoạt động

Hiệu ứng Hall được giải thích dựa trên bản chất của dòng điện trong vật dẫn. Dòng điện này là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ như electron trong kim loại). Khi qua từ trường, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một phía của thanh Hall, tùy thuộc vào điện tích là âm hay dương. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện đối nghịch ở hai mặt của thanh Hall, dẫn đến hiệu điện thế Hall.

Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:

V_H = (IB)/(den)

với VH là hiệu thế Hall,

Công thức này chỉ ra một đặc tính quan trọng của Hiệu ứng Hall là khả năng phân biệt điện tích âm và dương chạy trong thanh Hall dựa trên hiệu thế Hall âm hoặc dương. Điều này chứng minh rằng trong kim loại, dòng điện được mang bởi electron chứ không phải proton di chuyển tự do. Thêm vào đó, hiệu ứng cũng cho thấy rằng trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện được mang bởi các lỗ trống (có điện tích dương tổng cộng) chứ không phải electron đơn thuần.

Khi từ trường mạnh và nhiệt độ thấp, ta có thể quan sát hiệu ứng Hall lượng tử, biểu thị sự lượng tử hóa của điện trở trong vật dẫn.

Với vật liệu từ sắt, điện trở Hall tăng lên một cách bất thường, được gọi là hiệu ứng Hall dị thường, tỷ lệ với mức độ từ hóa của vật liệu. Cơ chế vật lý của hiện tượng này vẫn đang gây tranh cãi.

Ứng dụng thực tế

Hiệu ứng Hall được áp dụng chủ yếu trong các thiết bị đo lường và đầu dò. Những thiết bị này thường phát ra các tín hiệu rất yếu và cần phải được khuếch đại. Vào đầu thế kỷ 20, việc sử dụng các máy khuếch đại với bóng chân không là tốn kém, cho đến khi công nghệ vi mạch bán dẫn được phát triển. Ngày nay, nhiều 'đầu dò hiệu ứng Hall' đã tích hợp sẵn các bộ khuếch đại bên trong.

Thiết bị đo cường độ dòng điện

Hiệu ứng Hall rất nhạy với từ trường, và từ trường có thể được tạo ra từ bất kỳ dòng điện nào, cho phép đo cường độ dòng điện chảy qua dây điện khi dây này được đặt gần thiết bị đo. Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn để tạo dòng điện trong thanh Hall, và một dây ra để đo hiệu thế Hall. Phương pháp đo dòng điện này không đòi hỏi sự tiếp xúc cơ học trực tiếp với mạch điện, ít gây thêm điện trở phụ vào mạch đo, và không bị ảnh hưởng bởi nguồn điện (bao gồm cao thế) của mạch điện, tăng tính an toàn trong quá trình đo.

Cách cuốn dòng cần đo

Dòng điện cần đo có thể được cuốn quanh thiết bị đo. Các cấp độ nhạy đối với các cường độ dòng điện khác nhau có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng cuốn quanh thiết bị đo. Phương pháp này phù hợp cho các ampe kế được tích hợp vĩnh cửu vào cùng mạch điện.

Gắn vào dòng cần đo

Thiết bị được gắn vào dây dẫn điện để thực hiện kiểm tra và đo đạc, không cần lắp vĩnh cửu vào mạch điện.

Tính chất nhân

Ứng dụng này căn cứ vào công thức của hiệu ứng Hall: hiệu thế Hall là tích của cường độ dòng điện (tương ứng với hiệu điện thế áp dụng lên thanh Hall theo định luật Ohm) và cường độ từ trường (có thể được tạo ra từ một cuộn cảm, tương ứng với hiệu điện thế áp dụng lên cuộn cảm).

Đo công suất điện

Công suất tiêu thụ của một mạch điện là tích của cường độ dòng điện và hiệu điện thế trên mạch. Để đo công suất này, có thể sử dụng dòng điện và hiệu điện thế để nuôi dòng qua thanh Hall. Phương pháp này có thể được cải tiến để đo công suất của dòng điện xoay chiều trong sinh hoạt dân dụng, chúng thường chính xác hơn các thiết bị truyền thông và ít gây cản trở dòng điện.

Xác định vị trí và chuyển động

Hiệu ứng Hall có thể được sử dụng để xác định vị trí cơ học. Các thiết bị này không có bất kỳ bộ phận cơ học chuyển động nào và có thể được chế tạo kín, chịu được bụi bẩn, độ ẩm, bùn lầy... Điều này giúp cho các thiết bị này có thể đo vị trí một cách tiện lợi hơn so với dụng cụ quang học hay cơ điện.

Kích hoạt ô tô

Khi quay khóa để kích hoạt ô tô, một nam châm gắn với khóa quay, tạo ra thay đổi từ trường, được cảm nhận bởi thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall. Phương pháp này tiện lợi vì không gây hao mòn như các phương pháp cơ học khác.

Phát hiện chuyển động xoay

Việc phát hiện chuyển động xoay tương tự như trên rất hữu ích trong việc phát triển hệ thống phanh chống trượt nhạy bén của các xe ô tô, giúp lái xe dễ dàng hơn.

Sử dụng lịch sử

Vào năm 1878, Edwin Herbert Hall, khi còn là sinh viên tại Đại học Johns Hopkins, đã đọc quyển sách 'Luận về thuyết Điện từ' của James Clerk Maxwell. Ông đã thắc mắc với giáo sư của mình, Henry Rowland, về một nhận định của Maxwell rằng 'lực điện từ không tác động trực tiếp lên dòng điện mà tác động lên dây dẫn mang dòng điện đó'. Rowland cũng nghi ngờ tính chính xác của kết luận này, nhưng các thí nghiệm của ông không phản bác được nó.

Hall quyết định tiến hành nhiều thí nghiệm và cũng đã gặp thất bại. Cuối cùng, ông làm lại thí nghiệm của Rowland nhưng thay vì sử dụng dây dẫn kim loại, ông sử dụng một lá vàng mỏng. Hall đã nhận thấy rằng từ trường làm thay đổi sự phân bố điện tích trong lá vàng và làm lệch kim của điện cực nối với các mặt bên của nó. Thí nghiệm không chỉ làm rõ thắc mắc của Hall về nhận định của Maxwell mà còn xác nhận tính chất của dòng điện trong kim loại.

Ngày nay, chúng ta biết rằng điều kiện thí nghiệm lúc đó chỉ tạo ra từ trường yếu và hiệu ứng chỉ quan sát được khi sử dụng kim loại dẫn điện tốt như vàng. Hall đã đúng khi sử dụng vàng trong thí nghiệm của mình, khám phá ra một hiệu ứng cơ bản trong vật lý chất rắn hiện đại.

Khám phá này cũng đã giúp Hall giành được một vị trí tại Đại học Harvard. Công trình của ông được xuất bản vào năm 1879. Năm 1881, cuốn sách của Maxwell được tái bản lần hai với chú thích: 'Ông Hall đã phát hiện rằng một từ trường ổn định có thể làm thay đổi chút ít sự phân bố dòng điện trong hầu hết các dây dẫn, vì vậy tuyên bố của Maxwell chỉ có thể xem như gần đúng.'

Hiệu ứng Hall không chỉ được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghệ từ cuối thế kỷ 20, mà còn là nền tảng cho các khám phá tương tự cùng thời kỳ như hiệu ứng Hall lượng tử, một khám phá đã đoạt giải Nobel vật lý cho người phát hiện.