Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ГА)"

Гальваномагнитные явления

Гальваномагни'тные явле'ния , совокупность явлений, связанных с действием магнитного поля на электрические (гальванические) свойства твёрдых проводников (металлов и полупроводников), по которым течёт ток. Наиболее существенны Г. я. в магнитном поле Н , перпендикулярном току (поперечные Г. я.). К ним относится эффект Холла – возникновение разности потенциалов (эдс Холла V_h ) в направлении, перпендикулярном полю Н и току j (j – плотность тока), и изменение электрического сопротивления проводника в поперечном магнитном поле. Разность Dr между сопротивлением r проводника в магнитном поле и без поля часто называется магнетосопротивлением.

  Мерой эффекта Холла служит постоянная Холла:

  Здесь d – расстояние между электрическими контактами, с помощью которых измеряют эдс Холла. Постоянная Холла в широких пределах не зависит от величины магнитного поля (а для металлов и от температуры). Линейная зависимость V_H от магнитного поля Н используется для измерения магнитных полей (см. Магнитометр ).

  В электронных проводниках, в которых ток переносится «свободными» электронами (электронами проводимости ), согласно простейшим представлениям, постоянная Холла выражается через число электронов проводимости n в см³ . R = 1/nec (е – заряд электрона, с – скорость света). Поэтому измерение R служит одним из основных методов оценки концентрации электронов проводимости n в электронных проводниках. У электронных проводников R имеет знак минус. У полупроводников с дырочной проводимостью и у некоторых металлов постоянная Холла имеет знак плюс, соответствующий положительно заряженным носителям тока – дыркам (см. Твёрдое тело ). Т. к. эдс Холла меняет знак при изменении направления магнитного поля на обратное, то эффект Холла называется нечётным Г. я.

  Относительное изменение сопротивления в поперечном поле (Dr/r )_^ , в обычных условиях (при комнатной температуре) очень мало: у хороших металлов (Dr/r )_^ ~ 10^-4 при H ~ 10⁴ э . Важным исключением является висмут (Bi), у которого (Dr/r )_^ » 2 при Н = 3 · 10⁴э . Это позволяет его использовать для измерения магнитного поля. У полупроводников изменение сопротивления несколько больше, чем у металлов: (Dr/r )_^ » 10^-2 —10^-1 и существенно зависит от концентрации примесей в полупроводнике и от температуры. Например, у достаточно чистого германия (Dr/r )_^ » 3 при Т = 90 К и H = 1,8 · 10^-4э .

  Понижение температуры и увеличение магнитного поля приводят к увеличению (Dr/r )_^ . П. Л. Капица (1929), используя магнитные поля в несколько сот тысяч э и сравнительно низкие температуры (температура жидкого азота), обнаружил существенное увеличение сопротивления большого числа металлов и показал, что в широком интервале магнитных полей (Dr/r )_^ линейно зависит от магнитного поля (закон Капицы).

  В слабых магнитных полях (Dr/r )_^ пропорционально H² . Коэффициент пропорциональности между (Dr/r )_^ и H² положителен, т. е. сопротивление растет с увеличением магнитного поля. Изменение сопротивления в магнитном поле называется чётным Г. я., т. к. (Dr/r)_^ не изменяет знак при изменении направления поля Н на обратное.

  Так как сопротивление весьма чувствительно к качеству образца (к количеству примесей и дефектов кристаллической решётки), а также к температуре, то каждое измерение приводит к новой зависимости r от Н . Имеющиеся экспериментальные данные для металлов удобно описывать, выразив (Dr/r )_^ в виде функции от Н_эф = Hr₃₀₀ /r, где r₃₀₀ – сопротивление данного металла при комнатной температуре (Т = 300К), а r – при температуре эксперимента. При этом различные данные, относящиеся к одному металлу, укладываются на одну кривую (правило Колера).

  Основная причина Г. я. —искривление траекторий носителей тока (электронов проводимости и дырок) в магнитном поле (см. Лоренца сила ). Траектория носителей в магнитном поле может существенно отличаться от траектории свободного электрона в магнитном поле – круговой спирали, навитой на магнитную силовую линию. Разнообразие траекторий носителей тока у различных проводников – причина разнообразия Г. я., а зависимость траектории от направления магнитного поля – причина анизотропии Г. я. в монокристаллах. Мерой влияния магнитного поля на траекторию электрона является отношение длины свободного пробега l электрона к радиусу кривизны его траектории в поле Н: r_н = cp/eH (р – импульс электрона). По отношению к Г. я. магнитное поле считают слабым, если Н £Н_о = el/cp, и сильным, если Н ³ Н _.

  При комнатных температурах для различных металлов и хорошо проводящих полупроводников H _~ 10⁵ —10⁷э, для плохо проводящих полупроводников Н ~10⁸ —10⁹ э. Понижение температуры увеличивает длину пробега l и потому уменьшает значение H _. Это позволяет, используя низкие температуры и обычные магнитные поля (~10⁴ э), осуществлять условия, соответствующие сильному полю Н >> Н _.

  Измерение сопротивления монокристаллических образцов металлов в сильных магнитных полях – один из важных методов изучения металлов. Исследуется зависимость сопротивления от величины магнитного поля и его направления относительно кристаллографических осей. Теория Г. я. показала, что зависимость сопротивления от поля Н существенно связана с энергетическим спектром электронов. Резкая анизотропия сопротивления в сильных магнитных полях (у Au, Ag, Cu, Sn и др.) означает существ, анизотропию Ферми поверхности . И, наоборот, небольшая анизотропия сопротивления в магнитном поле означает практическую изотропию поверхности Ферми. При этом, если с ростом магнитного поля для всех направлений r не стремится к насыщению (Bi, As и др.), то электроны и дырки содержатся в проводниках в равных количествах. Стремление сопротивления к насыщению означает, что преобладают либо электроны, либо дырки (тип носителей может быть установлен по знаку постоянной Холла).

  Наряду с поперечными Г. я. наблюдается также небольшое изменение сопротивления металлов в магнитном поле, параллельном току I : (Dr/r )_|| , наз. продольным гальваномагнитным эффектом. В сильных магнитных полях обнаруживаются квантовые эффекты, проявляющиеся в немонотонной (осциллирующей) зависимости постоянной Холла и сопротивления от поля Н.

  При изучении Г. я. в тонких плёнках и проволоках имеет место зависимость (Dr/r )_^ и (Dr/r )_|| от размеров и формы образца (размерные эффекты). С ростом Н при r_n £ d (d — наименьший размер образца) эта зависимость исчезает. В ферромагнитных металлах и полупроводниках (ферритах ) Г. я. обладают рядом специфических особенностей, обусловленных существованием самопроизвольной намагниченности в отсутствие магнитного поля. Например, эдс Холла в ферромагнетиках зависит не только от среднего поля Н в образце, но и от намагниченности, сопротивление в слабых полях иногда убывает (см. Ферромагнетизм , Холла эффект ).

  Лит.: Лифшиц И. М., Каганов М. И., Некоторые вопросы электронной теории металлов, «Успехи физических наук», 1965, т. 87, в. 3; 3айман Дж., Принципы теории твердого тела, пер. с англ., М., 1966

  М. И. Каганов.

Гальванометр

Гальвано'метр (от гальвано... и ...метр ), высокочувствительный электроизмерительный прибор, реагирующий на весьма малую силу тока или напряжение. Наиболее часто Г. используют в качестве нуль-индикаторов, т. е. устройств для индикации отсутствия тока или напряжения в электрической цепи. Применяют Г. и для измерений малых силы тока и напряжения, определив предварительно постоянную прибора (цену деления шкалы). Различают Г. постоянного и переменного тока. Первые Г. постоянного тока были созданы в 20-х годах 19 в. и по принципу действия являлись приборами магнитоэлектрической системы (см. Магнитоэлектрический прибор измерительный). Они состояли из магнитной стрелки, подвешенной на тонкой нити и помещенной внутри катушки из проволоки. При отсутствии тока в катушке стрелка устанавливается по магнитному меридиану данного места. Появление тока вызывает отклонение стрелки от первоначального положения. В 19 в. было создано много конструктивных разновидностей Г. с подвижной магнитной стрелкой и они широко применялись при научных исследованиях электромагнитных явлений. Так, например, в 1886 Г. Кольрауш, пользуясь таким Г., определил с высокой точностью электрохимический эквивалент серебра.

  В 1881 французский учёный Ж. А. д'Арсонваль создал Г. с подвижной катушкой, в котором подвижным элементом служил проводник с током, помещенный в поле постоянного магнита. В зависимости от конструкции подвижной части такие Г. подразделяют на Г. рамочные (подвижная часть – рамка с несколькими витками проволоки), петлевые (подвижная часть – петля из одного витка проволоки) и струнные (подвижная часть – провод, натянутый как струна). В качестве примера на рис. 1 показано устройство рамочного Г. В поле постоянного магнита 1 расположена рамка 2, на оси которой укреплена стрелка-указатель 3. Протекающий по виткам рамки ток взаимодействует с полем постоянного магнита и создаёт вращающий момент, вызывающий поворот подвижной части и соответственно перемещение стрелки относительно шкалы. Для повышения чувствительности Г. на подвижной части вместо стрелки указателя укрепляют миниатюрное зеркальце оптического отсчётного устройства. На рис. 2 показан зеркальный Г. с оптическим устройством. Луч света от осветителя 1 падает на зеркальце 3 и, отражаясь от него, попадает на шкалу 4. Шкалу устанавливают на расстоянии 1,5—2 м от Г., поэтому даже весьма малые угловые перемещения зеркальца вызывают заметные отклонения светового пятна на шкале от его нулевого положения. Разновидностью являются Г. со световым отсчётом, у которых осветитель и шкала размещены в одном корпусе с механизмом Г. В этом случае для получения достаточной длины светового луча применяют многократное отражение его от нескольких неподвижных зеркал.

  При прохождении по обмотке Г. кратковременного импульса тока получается баллистический отброс подвижной части из нулевого положения с последующим возвращением к нему после нескольких колебаний. Если длительность импульса значительно меньше периода собственных колебаний подвижной части, то первое наибольшее отклонение указателя пропорционально количеству электричества, перенесённого импульсом. Для измерения количества электричества при сравнительно продолжительных импульсах изготовляют Г. баллистические, у которых момент инерции подвижной части значительно больше, чем у обычных Г. С помощью баллистических Г. можно измерять количество электричества при импульсах продолжительностью до 2 сек.

  Для обнаружения малых значений силы переменного тока или напряжений применяют Г. вибрационные переменного тока и с преобразователями переменного тока в постоянный. Вибрационные Г. по принципу действия идентичны Г. постоянного тока и отличаются от них только тем, что имеют очень малый момент инерции подвижной части. Устройство вибрационного Г. с подвижным магнитом показано на рис. 3 . Подвижная пластинка 3 из магнитомягкой стали помещается между полюсами постоянного магнита 1 в поле электромагнита 2 (между полюсами n и m ). Пластинка 3 укрепляется вместе с маленьким зеркальцем на бронзовой ленточке. Измеряемый переменный ток, проходя по обмотке 5 электромагнита 2 , создаёт переменное магнитное поле, накладывающееся на постоянное поле постоянного магнита 1 . Результирующее магнитное поле меняет своё направление с частотой переменного тока и вызывает колебания пластинки 3 ; при этом чёткое изображение на шкале 7 световой щели 6 размывается в световую полоску. Ширина полоски пропорциональна силе переменного тока в обмотке электромагнита 2 . Чувствительность вибрационного Г. получается максимальной, когда частота собственных колебаний подвижной части Г. равна частоте переменного тока, поэтому все вибрационные Г. имеют приспособления для изменения частоты собственных колебаний в целях настройки подвижной части в резонанс с исследуемым переменным током. Вибрационные Г. изготовляются для работы при частотах не свыше 5 кгц .

  Термогальванометр – Г. переменного тока с термопреобразователем, имеющий механизм магнитоэлектрического Г. с подвижной рамкой в виде одного витка. Половины этого витка выполнены из различных металлов и образуют термопару . Вблизи одного из спаев расположен нагреватель, к которому подводят измеряемый переменный ток. Возникающий в рамке термоток отклоняет её от нулевого положения. Этот Г. может применяться для работы при частотах свыше 5 кгц .

  Основной характеристикой Г. является чувствительность или величина, ей обратная, – постоянная Г. Современные Г. постоянного тока серийного производства позволяют обнаруживать токи силой около 5·10^-11а и напряжения порядка 5·10^-8 в . Постоянные вибрационных Г. переменного тока имеют порядок 1·10^-1 а /деление .

  Лит.: Черданцева З. В., Электрические измерения, 3 изд., М. – Л., 1933; Карандеев К. Б., Гальванометры постоянного тока, Львов, 1957; Арутюнов В. О., Электрические измерительные приборы и измерения, М., 1958.

  Н. Г. Вострокнутов .

Рис. 3. Вибрационный гальванометр: 1 – постоянный магнит; 2 – электромагнит; 3 – подвижная пластинка; 4 – бронзовая ленточка; 5 – обмотка для измеряемого тока; 6 – щель оптической системы; 7 – шкала.

Рис. 1. Рамочный гальванометр: 1 – постоянный магнит; 2 – рамка; 3 – стрелка-указатель; 4 – выводы рамки; 5 – шкала.

Рис. 2. Зеркальный гальванометр: 1 – осветитель (лампа); 2 – гальванометр; 3 – зеркальце; 4 – шкала.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ГА)"