Эдвин Холл

Эдвин Холл (англ. Edwin Hall; 7 ноября 1855, Грейт-Фолс, штат Мэн, США — 20 ноября 1938, Кембридж, штат Массачусетс, США) — американский физик-экспериментатор, наиболее известный открытием в 1879 году эффекта Холла, который стал одним из фундаментальных явлений физики твёрдого тела и электроники.

Биография

Ранние годы и образование

Эдвин Герберт Холл родился в семье Эдвина Холла и Элизы Холл (урождённой Герберт). Его отец был фермером и школьным учителем. Начальное образование Холл получил в местной школе, затем окончил академию в городе Фрайбург (штат Мэн). В 1875 году поступил в Боудин-колледж (Брансуик, штат Мэн), где изучал физику и математику. После получения степени бакалавра в 1879 году он продолжил обучение в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе, который в то время был одним из ведущих центров подготовки научных кадров в США.

Профессиональная карьера

В 1881 году Холл защитил докторскую диссертацию на тему «Новое действие магнита на электрические токи» (англ. «A New Action of the Magnet on Electric Currents»), в которой описал открытый им эффект. После защиты он был назначен ассистентом профессора физики в Гарвардском университете. В 1888 году стал полным профессором и занимал эту должность до выхода на пенсию в 1921 году. В Гарварде Холл также читал лекции и руководил лабораторными работами, воспитав несколько поколений физиков.

Научная деятельность

Открытие эффекта Холла

В 1879 году, работая над докторской диссертацией под руководством профессора Генри Роуленда, Холл поставил эксперимент, целью которого было проверить, оказывает ли магнитное поле влияние на электрический ток в проводнике. В то время существовала гипотеза, что магнитное поле может действовать на сам ток, а не только на проводник с током. Холл использовал тонкую золотую пластинку, через которую пропускал постоянный ток, и помещал её между полюсами электромагнита. Он обнаружил, что при включении магнитного поля на боковых гранях пластинки возникает разность потенциалов — поперечное электрическое поле. Это явление получило название эффекта Холла.

Результаты эксперимента были опубликованы в 1880 году в статье «О новом действии магнита на электрические токи» (англ. «On a New Action of the Magnet on Electric Currents») в журнале «American Journal of Science». Открытие вызвало широкий резонанс в научном сообществе, так как подтверждало, что электрический ток в металлах переносится отрицательно заряженными частицами (электронами), что впоследствии было доказано.

Другие исследования

Помимо эффекта Холла, учёный занимался изучением термоэлектрических явлений, теплопроводности, магнитных свойств материалов. Он разработал методы измерения магнитной проницаемости и исследовал поведение ферромагнетиков. Холл также внёс вклад в педагогику: написал несколько учебников по физике, в том числе «Элементарные уроки физики» (англ. «Elementary Lessons in Physics»), которые использовались в американских школах и колледжах.

Эффект Холла

Физическая сущность

Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (напряжения Холла) в проводнике с током, помещённом в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока. Причиной является действие силы Лоренца на движущиеся заряженные частицы (электроны или дырки), которая отклоняет их к одной из граней проводника. Возникающее электрическое поле компенсирует магнитную силу, и устанавливается равновесие. Величина напряжения Холла пропорциональна магнитной индукции, силе тока и обратно пропорциональна толщине проводника и концентрации носителей заряда.

Значение для науки и техники

Открытие Холла стало основой для развития физики полупроводников. Эффект Холла используется для:

• Измерения магнитных полей (датчики Холла) — компактные устройства, применяемые в автомобильной электронике, промышленной автоматике, бытовой технике.
• Определения типа проводимости и концентрации носителей заряда в полупроводниковых материалах (метод Холла).
• Создания бесконтактных датчиков положения, скорости и тока (например, в электродвигателях, системах зажигания).
• Исследования свойств материалов в физике твёрдого тела.

В 1980 году был открыт квантовый эффект Холла (Клаус фон Клитцинг, Нобелевская премия 1985 года), а в 1998 году — дробный квантовый эффект Холла (Роберт Лафлин, Хорст Штёрмер, Дэниел Цуи), что расширило понимание квантовой природы электронных систем.

Признание и награды

За свои научные достижения Эдвин Холл был избран членом Американской академии искусств и наук (1888), Национальной академии наук США (1901). В 1911 году он получил медаль Румфорда от Американской академии искусств и наук. В его честь названа единица измерения холловского сопротивления (ом), а также кратер на обратной стороне Луны (Холл, диаметр 35 км). В 1939 году, через год после смерти учёного, Американское физическое общество учредило премию Эдвина Холла за выдающиеся достижения в области экспериментальной физики.

Личная жизнь и последние годы

Эдвин Холл был женат на Эмили С. Уэллс, в браке родились двое детей — сын и дочь. После выхода на пенсию в 1921 году он продолжал заниматься научной работой и публиковать статьи. Умер 20 ноября 1938 года в Кембридже (штат Массачусетс) в возрасте 83 лет. Похоронен на кладбище Маунт-Оберн в Кембридже.

Интересные факты

• Эксперимент Холла был проведён в подвале физической лаборатории Университета Джонса Хопкинса; оборудование было собрано из подручных средств, включая самодельный электромагнит.
• Первоначально эффект Холла был обнаружен на золотой пластинке, но позже Холл повторил эксперимент на других металлах (серебро, медь, алюминий) и подтвердил универсальность явления.
• В 1910-х годах Холл предложил метод измерения магнитной проницаемости с помощью переменного тока, который впоследствии был усовершенствован и вошёл в лабораторную практику.
• В честь Эдвина Холла названа одна из аудиторий в Гарвардском университете (Hall Hall, ирония названия связана с совпадением фамилии и слова «зал»).

Источники

• Hall, E. H. «On a New Action of the Magnet on Electric Currents» // American Journal of Science, 1880, vol. 19, pp. 200–205.
• Биографические данные из архива Национальной академии наук США (National Academy of Sciences Biographical Memoir, 1940).
• Киттель Ч. «Введение в физику твёрдого тела» (русский перевод, 1978).
• Энциклопедия «Британника» (Encyclopædia Britannica, статья «Edwin Hall»).
• Материалы Музея истории физики Гарвардского университета.