为什么说“霍尔效应”是一个伟大的发现?

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-01-29 09:22

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自IEEE ,谢谢。


在许多没有获得诺贝尔奖的物理学家中,Edwin Herbert Hall)是其中的一个,对他来说,这次失败似乎特别不公平。

1879 年 10月28 日,这23 岁的霍尔发现了一个至今仍在回荡的发现(这个发现帮助另外四个人获得诺贝尔奖)。在新成立的约翰霍普金斯大学的一个物理实验室工作时,霍尔在检流计计位移中看到了一根针,表明没有明显原因的电势。
他发现了一种很快就会被称为霍尔效应的现象。假设您有电流流过扁平的导体带。现在,您将色带置于垂直于导体平面的磁场中。快!电流瞬间移动,被磁场推到色带的一侧。这会在色带的两侧产生相反的电荷,从而产生电位差,从而迅速平衡磁场产生的力。该电位表现为垂直电压,这是霍尔测量的。

今天,霍尔效应在“现实世界”和现实世界之外都有重要的应用。检测和测量磁场的标准方法是使用称为霍尔效应传感器的设备。

这种传感器每年售出数亿件。但霍尔效应最有趣的应用之一是航天器推进。而现在,正如 Dan M. Goebel 和 David Oh 在“金属世界的使命”中所指出的那样,基于霍尔效应的推进器将首次推动名为 Psyche 的宇宙飞船进行星际航行。

在 1960 年代初期,美国和苏联的研究人员开始发表关于使用电产生等离子体产生推力的实验的论文。美国很快放弃了霍尔推进器计划,转而采用另一种称为离子推进器的方式。不过,苏联的工作仍在继续,1971 年在苏联气象卫星上发射了霍尔推进器。这是一件大事的开始。

到目前为止,已有 100 多颗苏联或俄罗斯卫星使用霍尔推进器,主要用于航天器定向或维持其轨道。在美国,兴趣在 1992 年重新燃起,当时作为美国国防部项目的一部分,一组研究人员访问了俄罗斯实验室,该项目基于俄罗斯技术生产推进器。今天,工程师们正在世界各地的数十个政府、企业和学术实验室开发霍尔推进器。

霍尔推进器将开始推动一艘重达 2600 公斤的航天器,其推力相当于五个美国四分之一的重量。

考虑一下 SpaceX 的 Starlink 计划,该计划在低地球轨道上聚集卫星以提供宽带互联网服务。迄今为止发射的1800 多颗卫星中的每一颗都带有霍尔推进器,这使 SpaceX 成为迄今为止世界上最大的电动推进器运营商。

霍尔推进器使用电源在阳极和阴极之间建立电位差。惰性气体,例如氙气或氪气,通过阳极中的孔进入通道,从阴极流向阳极的电子使气体电离,形成带电等离子体。施加的磁场迫使电子围绕推进器的轴在阳极下游的出口附近循环。在沟道中旋转的横向电子电流称为霍尔电流。这种电流在等离子体中产生电场,让人想起霍尔发现的电场,它加速离子并将它们射出通道末端,产生推力。

Robert Goddard、Konstantin Tsiolkovsky 和 Wernher von Braun 都设想在长期太空任务中使用某种形式的离子推进器。2018 年达到了一个重要的里程碑,当时美国宇航局对小行星灶神星和矮行星谷神星的黎明任务由网格离子推进器推动,这是一种不同类型的等离子体驱动器。

明年 8 月,正如 Goebel 和 Oh 在他们的文章中所指出的,四个装有氙气的霍尔推进器将开始推动 Psyche 宇宙飞船——全部 2600 公斤——在 24 亿公里的小行星带之旅中。对于只产生280 毫牛顿推力的火箭发动机来说还不错——相当于五个美国四分之一的重量。到 2024 年,一组霍尔推进器将为 Gateway 月球空间站提供动力,这是 NASA 将宇航员送回月球的 Artemis 计划的关键要素。

你可以称之为霍尔天才的动人证明。也许比诺贝尔奖更好。

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