ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА SHAPE \* MERGEFORMAT Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

_ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА

Саврухин Анатолий Петрович

кандидат технич. наук, доцент, Московский Гос. Университет Леса, г. Королёв Savrukhin Anatoly, Candidate of Science, assistant professor, of Russian State University Forest, Korolev.

АННОТАЦИЯ

Доказывается отсутствие свободных зарядов в проводниках. Электрическое поле в проводнике с током есть результат поляризации атомов, а магнитное поле есть следствие согласной ориентации магнитных моментов электронов. Внешнее магнитное поле изменяет ориентацию, что вызывает поперечное электрическое поле (эффект Холла).

ABSTRACT

We prove the absence offree charges in the conductors. The electric field in the conductor is the result of the polarization of the atoms and the magnetic field is a consequence of a consonant orientation of the magnetic moments of electrons.

The external magnetic field changes the orientation, which causes a transverse electric field (Hall effect).

Ключевые слова: электрическое поле; магнитное поле; эффект Холла; поляризация металлов.

Keywords: electric field; magnetic field; Hall effect; polarization metals.

Вступление

Эффект Холла наблюдают так: к концам проводника в виде ленты подключают источник ЭДС, задают внешнее магнитное поле (МП) перпендикулярно ленте и регистрируют поперечную разность потенциалов и. Также наблюдается отталкивание или притяжение ленты к задающему МП магниту. Стандартное объяснение таково: в проводнике появляется ток в виде направленного вдоль ленты потока так называемых свободных электронов, которые отклоняются вбок под действием МП. Таковое не может быть принято потому, что не объяснено: ни откуда берутся свободные электроны, ни что такое магнитное поле, ни как возникают силы взаимодействия. И это далеко не все вопросы. В статье кратко излагается альтернативное объяснение эффекта Холла. Подробнее основа этого и подобных электрических явлений изложена в статье [1].

Основные положения

Свободные заряды. В меди, например, с учётом зависимости теплоёмкости от температуры, плотность энергии при нагреве от 0 К до 300 К составит около 6.14-102 Дж/см3. При энергии ионизации атома меди 7.72 эВ и плотности атомов 8.5-1022 1/см3, потребуется энергия с плотностью 1.05-105 Дж/см3, т.е. в 170 раз большая температура (5.1-104 К). С другой стороны, энергии 7.72 эВ соответствует температура 8.9-104 К, характерная для плазмы. В атоме валентный электрон образует поле с £=14.5 В/м, что соответствует току в 103А, а в нашем примере £=1.7 10-2 В/м. Делаем заключение: при нормальных условиях свободных электронов нет, как нет и тока переноса зарядов. Это подтверждает феномен сверхпроводимости, несоразмерность длины волны электрона и размером атома, опыты по электростатике и независимость магнитного поля от температуры.

Электрический ток. Ток I есть поток вектора напряжённости ФЕ электрического поля (ЭП) с эм-

пирическим коэффициентом р (удельное сопротивление): 1=ФЕ/р, а полный внутренний магнитный поток

ФН=и pd/4n=0.5^o^H, где ju - магнитная постоянная, ju- относительная магнитная проницаемость среды. Поскольку 1= ФНК (К=4л/j0j - постоянная, т.к. лучшие проводники диамагнитны j ~1) то ток также и поток вектора напряжённости МП. Отсюда E/H=2p/r, что означает жёсткую связь электрических и магнитных свойств электрона. Движение заряженных частиц не порождает МП, а выявляет уже имеющееся у них. Иначе: наличие магнитного поля не обязательный признак наличия тока. Здесь применим принцип суперпозиции, согласно которому воздействия независимых друг от друга факторов на некую область можно суммировать, не предполагая при этом смешивание самих воздействий.

Физические поля. В предыдущих работах автора [2] вводится понятие о вакууме, как среде - носительнице всех видов полей. Первичные частицы, порождаемые вакуумом, это протон и электрон; все прочие есть их комбинации. Как таковые, только они являются источниками полей: электрических, магнитных и сильных, участвуя во всех видах взаимодействий. Собственная виртуальная плотность энергии вакуума такова, что никакое, искусственно созданное, поле не достигает критических для него значений. Никакое поле нельзя создать, его можно только организовать, сформировать из его источников - элементарных частиц. Физическим полем принято считать область вакуума, каким либо образом воздействующая на помещённый в неё объект. Например: электрическим полем называют поле электрона, тормозящее приближающийся к нему другой электрон; магнитным полем называют поле постоянного магнита, тормозящее приближающийся к нему другой магнит с той же направленностью. Суть процессов такого вида заключается в том, что плотность создаваемого источником поля всегда убывает с увеличением расстояния до него

за счёт роста числа охваченных полем узлов вакуума, которые являются носителями и передатчиками поля. Именно они непосредственно взаимодействуют с внешними объектами. Это действие закона выравнивания, согласно которому в неоднородном вакууме частицы могут бесконтактно взаимодействовать между собой, а это значит, что есть посредник, роль которого выполняет вакуум. То, что называют полем, есть способность вакуума изменять своё состояние в присутствии частиц. Правило выравнивания плотности энергии по объёму вакуума ответственно за распад всех прочих элементарных частиц.

Сильное взаимодействие является основой, оно поддерживает целостность стабильных первородных элементарных частиц, электронов и протонов, но и препятствует выравниванию: распаду ядра, содержащего однополярные протоны; распаду электрона, как полевого объекта с высокой плотностью энергии; соединению электронов с ядром атома, постольку расталкивающая сила при их сближении растёт быстрее, чем сила притяжения. То, что называют электрической энергией, есть способность электрического поля производить работу, преобразовываясь в другие виды энергии.

Планковские единицы. В системе М. Планка [3] из фундаментальных физических постоянных -скорости света с, гравитационной постоянной О, постоянной Планка И и диэлектрической проницаемости е0 строятся фундаментальные физические масштабы массы Ы=(Ис/2жО)0-5, длины Ь=(ИО/2кс3)0-5, времени Т=(ИО/2кс5)0-5 и (добавленного автором статьи) заряда Q=(2еоhc)0■5, принимаемые за параметры ячеек дискретного вакуума решеточной конструкции. Например, квантовое электромагнитное поле представляют в виде поля гармонических, связанных между собой осцилляторов. Заметим, что е2^2=а, где е - заряд электрона и а - постоянная тонкой структуры, поэтому Q принимается за сильный заряд, ответственный за сильное (ядерное) взаимодействие. Есть две частицы, электрон и протон, и возникают они спонтанно из вакуума в связанном виде, как атом водорода. Они стабильны, поскольку это первичные узлы возбуждения. Электрон, как домен, есть устойчивое объ-

единение искажений решётки и, как таковой, обладает суммированными полями Е и Н. То, что эти частицы так называются условно, доказывается явлениями аннигиляции протона и антипротона, также, как и аннигиляция электрона и позитрона с преобразованием в пару фотонов. Существует и обратное явление фоторождения частиц из пары фотонов. В действительности это полевые объекты, облака из огромного числа возбуждённых узлов вакуума. Существование их и обеспечивает сильное взаимодействие. В самом деле, электрон, например, имеет равные по величине энергии электрического и магнитного поля, в сумме их величина Жет= аЖ, т.е. одна сто тридцать седьмая энергии покоя электрона ^=0.511МэВ, а основная часть принадлежит сильному взаимодействию. Таким образом, энергии ЭП и МП являются компонентами полной энергии.

Поляризация. Различаются эти поля так: 1. Наружные электроны экранированы от ядра предыдущими оболочками и слабо связаны с ним, поэтому активно реагируют на задаваемое в проводнике извне ЭП напряжённостью Е, продвигаясь против поля. Так образуется как бы диполь из электрона и атома. Реакция проводника, подключённого к клеммам источника ЭДС с разностью потенциалов Дф, есть поляризация. По окончании переходного процесса в однородном проводнике образуется электрическое поле поляризации вакуума с напряжённостью Е=Дф//,где I - длина проводника. Если объём атома порядка 10-30м3, то у электрона с комптоновской длины волны 2.4 10-12м объём будет около 10-35м3, поэтому процесс установления поля происходит практически в вакууме, а величина Е не зависит от параметров металла. Электронная же поляризация заключается в смещении центра оболочек относительно ядра с образованием электрических диполей.

На рис. 1 стрелкой 1 показана связь атома А с электроном Э. При появлении поля напряжённостью Е, электрон перемещается по почти круговой стрелке; этот квазидиполь растягивается и разворачивается вдоль поля Е. Чем сильнее Е, тем больше будет компенсировано влияние тепловых флуктуа-ций, вызываемых атаками фотонов извне. Это приводит к однонаправленности электронов и суммировании их МП.

Рис. 1. Поляризация атома.

Известны следующие последствия: 1. образование поля Еп, направленного против поля Е; 2. возникновение упругих деформаций атомов; 3. появление магнитного поля (магнетизация); 4.

изменение температуры проводника, как следствие хаотических возмущений извне.

Это значит, что: а) ЭП электрона имеет преимущественные направления, т.е. не сферично. б) У электрона МП перпендикулярно ЭП. Поэтому он не

является магнитом, ибо в противном случае внешнее МП порождало бы поперечное статическое ЭП в любом проводнике. в) При любой форме проводника его МП стелется по поверхности, т.е. замкнуто.

Эксперименты

Использованная аппаратура: источники питания (Б5-46, PS-1502D, аккумулятор

Tung stone Sputnik 480 A); микровольтметр IT-8-RUT; датчики магнитного поля ПХЭ и SS495A; постоянные магниты; магниточувствительные плёнки.

V

Таблица 1.

1 0.35 -0.361 0.503

2 0.39 -0.203 0.44

3 0.38 -0.128 0.401

4 0.37 -0.053 0.374

5 0.37 0.001 0.37

6 0.34 0.055 0.344

7 0.35 0.109 0.367

8 0.31 0.214 0.377

9 0.29 0.373 0.472

\

0.4 0.24 0.08 - 0.08 - 0.24 -0.4

0

Исследованные материалы: пластина из висмута сечением 13*0.7 мм2; ленты медные 10*0.05 мм2 и 40*0.05 мм2; сборка из пяти лент медных 10*0.05 мм2 , разделённых изоляцией. При измерении величины индукции B МП на поверхности поперёк лент (горизонтальная компонента МП) датчик устанавливался вертикально, а при измерении перпендикулярной компоненты - горизонтально.

Данные для ленты 40*0.05 мм2. Поперечно ленте на равных расстояниях выделены 9 точек, в которых проводилось измерение МП.

< '—< >—< н >—< ►__

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Рис. 2. Вертикальная компонента МП (треугольники) и горизонтальная (кружки). По горизонтали - номера точек, по вертикали - индукция В в мТл при токе 28 А.

В таблице 1по столбцам: 1. номера точек, где проводилось измерение МП, 2.горизонтальная составляющая МП (кружки на рис. №), 3.

вертикальная составляющая(треугольники), 4. модуль вектора В в мТл. Величина постоянного тока 28А.

На рис. 3. по горизонтали - составляющая поперёк ленты, по вертикали - перпендикулярно ленте. Максимумы векторов приходятся на углах. Подобные характеристики приведены в работах [4,

5].

Данные для ленты 10*0.05 мм2.При токе 31А горизонтальное МП среднее 1.17 мТл; вертикальное справа, в центре и слева -1.69, 0, 1.52 мТл. При толщине ленты 50 мкм и размере датчика 2*2 мм не удалось провести точное измерение.

В целом датчик, перпендикулярный торцу ленты, фиксирует нулевое поле, а установленный под углом 45 град. - половину вертикального.

Сборка. При токе 28А вертикальное поле: -4.76, 0, +4.85 мТл, и среднее горизонтальное (поперечное) 4.1 мТл.

Форма проводника. Цилиндрический проводник диаметром 2.45 мм и площадью сечения 3.3

мм2 при токе 33 А имеет максимальное поле на поверхности проводника В=р^/2пг, где г - радиус проводника. По расчёту это 5.4 мТл , по замеру 4.7 мТл. Расплющенный на участке длиной 15 мм до размеров 4.5* 0.7 мм2 имеет вертикальное МП в 3 точках: -1.55 мТл , 0, +1.6 мТл при сечении 3.15 мм. Отметим, что МП фиксируется только датчиком, перпендикулярным проводнику.

Пластина из висмута. При токе /=5 А и наружном внешнем поле В=0.12 Тл напряжение на выводах по центру Цх=0.75 мВ, что близко к расчетной величине Ш= - RxIB/d, где Rx - коэффициент Холла, I - ток, B - индукция, задаваемая внешним источником МП, d - толщина пластины.

1@н 111 дан

Рис.4. Направление полей в проводнике с прямоугольным сечением.

Стрелками показано направление внешнего МП. Между электронами 1 и 2 МП скомпенсированы, это область слабого поля. Сверху МП сливаются в сплошной поток (продольное поле), также и в позиции 3. Позиции 2 и 4 демонстрируют поперечные МП. Как видно в позициях 5 и 2, справа МП складываются, а слева вычитаются. Поскольку плотности МП справа выше плотности слева, наблюдается смещение электронов справа налево, в результате чего и образуются поперечное ЭП и ЭДС Холла. Если МП цилиндрического проводника определяется формой МП электрона, то проводники с прямоугольным сечением задают свою

форму. Аналогичные графики получим (в соответствующем масштабе) для торца справа (с поворотом на 90 град.), затем снизу ленты и для торца слева. Для квадратного сечения все четыре стороны будут иметь одинаковые размеры векторов. Сказанное относится и к многогранным по форме сечениям проводников, а, в пределе, и к цилиндрическому проводнику с огромным числом шагов при ничтожных по величине векторах. Как показано на рис.5-7, в нашем случае проводник является аналогом четвёртки постоянных магнитов.

8 N

N 8

Рис. 5. Расположение полюсов на проводнике с прямоугольным сечением (феррит 8*8*16мм3) .

Ниже даны снимки на магниточувствительную плёнку. Тёмные места отображают наличие перпендикулярного МП, светлые - параллельного плёнке.

Рис. 8. Магнитное поле магнита Рис. 9. Магнитное поле

24*18*3 мм3 сбоку. ленты 10*0.05 мм2 при токе 31 А.

Рис. 10. Магнитное поле проволоки диаметром 2.5 мм при токе 48 А.

Пояснения к рисункам 6-11. Затемнены перпендикулярные составляющие МП,светлые полосы выделяют области с преобладанием стелящегося МП, а перпендикулярные составляющие нейтрализованы. На рис.6 и 9 линия образуется в месте встречи разнонаправленных МП. На рис. 9 центральная линия показывает места нейтрализации перпендикулярных составляющих, верхняя и нижняя линии показывают краевые эффекты. Тёмные полосы по краям это незасвеченные области. На рис. 10 показано отсутствие радиальных компонент МП цилиндрического проводника с током (светлая полоса).

Заключение

1.Свободных зарядов в проводниках нет. 2.Электрическое поле в проводнике с током есть результат поляризации атомов. З.Магнитное же поле есть следствие согласной ориентации магнитных моментов электронов. 4.Внешнее магнитное поле изменяет эту ориентацию, что вызывает поворот диполя, образованного атомом и наружным электроном. В результате возникает поперечное электрическое поле (эффект Холла).

Рис. 11. Магнитное поле дискового магнита диаметром 45 мм и толщиной 5 мм с торца.

Литература

1.Саврухин А.П. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.

Электронный ресурс. http://www.msfu.ru/iour-nal/index.php?lang=ru&stat=105;

2.Саврухин А.П. Природа элементарных частиц и золотое сечение. Монография. М. МГУЛ. 2004, 204 с. http ://savrukhin. ru/stati/

3.Фундаментальные_физические_постоянные. Электронный ресурс. https://ru.wikipedia.org/wiki/

4. Mikhailichenko Alexander.RESULTS ON FIELD MEASUREMENTS IN A FLAT POLEMAGNET WITH THE CURRENT CARING SHEETS. Электронный ресурс.

http://www.lns.comell.edu/public/CBN/2014/CB N14-1/CBN%2014-1.pdf

5. Иванова А.Г., Самодуров И.Н., Мартемья-нов В.М. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПРОВОДНИКА С ТОКОМ // Международный студенческий научный вестник. - 2015. - № 6.; Электронный ресурс. URL: http ://eduherald.ru/ru/article/view?id=14265

_СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ_

Чепрасова Анастасия Сергеевна

Студент, 3 курс, физико-технический факультет, бакалавриат, Кубанский государственный университет, город Краснодар.

Мамелин Юрий Валерьевич

Студент, 2 курс, физико-технический факультет, магистратура, Кубанский государственный университет, город Краснодар.

EXTRALARGE INTEGRAL SYSTEM

Cheprasova Anastasiya Sergeevna

Student, 3rd year, Faculty of Physics and Technology, bachelor program, Kuban State University, Krasnodar

Mamelyn Yuriy Valeriyevich

Student, 2nd year, Faculty of Physics and Technology, masters program, Kuban State University, Krasnodar

Аннотация

В представленной статье рассмотрен функционал и дальнейшее развитие сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Здесь говорится о классификации СБИС, и об их значимости в современном мире, проанализированы существующие технологии проектирования микросхем. Данная тема была затронута так как шагая в будущее, гаджеты становятся все меньше и меньше, а их мощность в разы превосходит своих предшественников десятью годами ранее. Такая градация возможна только благодаря современным технологиям описанных в статье.

Ключевые слова: микросхема; степень интеграции; программируемая логика; архитектура; фотоповторитель.

Summary In the article function and further development of extralarge integral microsystems (EIM) are considered. Classifications and meaning of EIM are taken into account, current technologies of microsystem design are analyzed. Current topic is considered as gadgets become smaller, but their productivity is getting much better than the productivity of their ancestors decade ago. Such gradation is possible only with the technologies mentioned in the article.

Key words: microsystem, degree of integration, programmable logic, architecture, step-and-repeat camera

В настоящее время во многих бытовых, вычис- гральные схемы, твердотельные устройства, изго-лительных и прочих приборах используются инте- товленные на полупроводниковой подложке (пластине или пленке) и помещенные в неразборный