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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y
MAGNETÍSMO
PROFESOR JAIME VILLALOBOS Ph.D.
STEPHANIE HERNANDEZ OSTOS. G09N23
CRISTIAN J. MEDINA MEDINA. G09N26
ARTÍCULO METROLOGIA
EL EFECTO HALL, MÁS QUE UNA TEORÍA: UNA
REVOLUCIÓN CIENTÍFICA QUE CAMBIÓ NUESTRA
PERSPECTIVA
A través de los años el hombre ha
intentado buscar respuesta a todos
aquellos fenómenos que rigen
nuestro planeta y
que están
presentes en nuestra cotidianidad. En
esta búsqueda han surgido los más
grandiosos descubrimientos que han
revolucionado nuestra forma de vivir y
nos han ayudado a entender la forma
en que funcionan muchas de las
cosas que vemos.
Dentro de este ímpetu por buscarle
respuesta a tantos interrogantes,
nacieron los grandes científicos de
nuestra historia, los cuales edificaron
el mundo que hoy en día vemos y
dejaron su legado a través de tanto
conocimiento entregado.
Así pues, se encuentra dentro de
estos grandiosos personajes Edwin
Herbert Hall quien en 1880 estudio el
comportamiento de una corriente, en
una lamina de material conductor y
bajo la influencia de un campo
magnético perpendicular a la misma.
Mientras trabajaba en su tesis, Hall
comenzó a considerar un primer
problema planteado por Maxwell
acerca de la fuerza sobre un
conductor
que
transporta
una
corriente en un campo magnético.
¿Actúa la fuerza sobre el conductor o
sobre la corriente? Argumentó que si
la corriente se veía afectada por el
campo magnético entonces debería
haber "un estado de tensión debido a
la electricidad que pasaba hacia un
lado del cable" (Hall, 1879).
En su experimento, Hall utilizó una
lámina de oro fino y en el año 1879
detectó por primera vez, un potencial
eléctrico
que
actuaba
perpendicularmente a la corriente y el
campo magnético. Desde entonces
este experimento es conocido como
el Efecto Hall.
uniforme y perpendicular
dirección del flujo.
a
la
Dependiendo de si la lectura del
voltímetro es positiva o negativa, y
conociendo la dirección del campo
magnético y del campo eléctrico
originado por la batería, podemos
deducir si los portadores de carga de
la barra de material desconocido son
las cargas positivas o las negativas.
¿QUE DESENCADENA?
Siendo así, al aplicar un campo
magnético a un material conductor o
semiconductor, por
donde circula
una corriente eléctrica, se comprueba
que aparece una fuerza magnética en
los portadores de carga que los
reagrupa
dentro
del
material,
apareciendo así un campo eléctrico
perpendicular al campo magnético y
al propio campo eléctrico generado
por la batería.
Este
campo
eléctrico
es
el
denominado campo Hall, y ligado a él
aparece la tensión Hall, que se puede
medir mediante el voltímetro.
Sobre cada electrón actúa la fuerza
de Lorentz debida a la presencia del
campo
magnético
constante,
Debido a la separación de cargas
aparece un campo eléctrico EH,
dirigido desde A hacia B. Este campo
a su vez, ejercerá una fuerza eléctrica
sobre los portadores de cargas FE de
sentido opuesto a la fuerza magnética
Fm. La separación de cargas irá
aumentando hasta que se alcanza la
situación estacionaria cuando la
fuerza eléctrica equilibra a la fuerza
magnética.
A
B
Un siglo después, el efecto hall tomó
de nuevo protagonismo gracias al
interés por el transporte y flujo de
electrones, que con el avance de la
tecnología a pasos agigantados,
motivó a más personas a su estudio.
Científicos sometieron éste fenómeno
a condiciones diferentes a las
normales,
observando
los
sorprendentes efectos de este
experimento.
Este fue el caso de Klaus von
Klitzing, quién en 1980 al estar
haciendo investigaciones sobre los
fenómenos
del
transporte
de
electrones en transistores de efecto
de campo sometidos a bajas
temperaturas y campos magnéticos
intensos, descubrió lo que hoy es
conocido como Efecto Hall Cuántico.
EFECTO HALL CUÁNTICO
Antes del descubrimiento del efecto
hall cuántico por parte de Klaus von
Klitzing, varios laboratorios y grupos
de investigación principalmente del
Japón y Alemania, ya se encontraban
realizando investigaciones sobre los
fenómenos del transporte a bajas
temperaturas y campos magnéticos
intensos.
En el siguiente enunciado se
encuentra el concepto claro del efecto
hall
cuántico:
“El efecto hall cuántico se puede
apreciar
cuando
en
un
semiconductor, que contiene un gas
bidimensional de electrones, es decir
que su grosor en proporción es
significativamente mucho menor con
respecto a sus dimensiones, se
somete a una temperatura muy baja y
campos magnéticos muy fuertes”
Los electrones que se encuentran en
un gas bidimensional solo se pueden
mover en un solo plano ya sea x-y, xz, y-z; si a estos electrones no se les
aplica o no son sometidos a un
campo
magnéticos,
estos
se
desplazaran libremente por dicho
plano.
Si aplicáramos un campo magnético
en x sentido negativo, los electrones
se acelerarán de manera positiva en
x, pero debido a imperfecciones y a
las vibraciones en los átomos este
flujo de electrones no es estable y
uniforme.
Ahora supongamos que no aplicamos
un campo magnético paralelo a algún
eje del plano, sino que lo aplicamos
perpendicular a este; en este caso los
electrones experimentan una fuerza
que es la fuerza de Lorentz, la cual es
perpendicular al flujo de electrones y
perpendicular a la dirección del
campo magnético. De esta forma es
como se obtiene que los electrones
tengan un movimiento rotacional en
forma de circunferencia en el plano
en que se encuentran, donde el radio
de
dicha
circunferencia
es
inversamente proporcional a la
magnitud del campo magnético al que
están
siendo
sometidos
los
electrones.
Ahora
bien
como
se
venía
considerando unos electrones en el
plano xy, a los que se les aplica un
campo magnético en el plano z,
ahora le aplicaremos un campo
eléctrico en dirección –x, en este
caso el flujo de electrones sería
perpendicular, tanto para el campo
magnético como para el campo
eléctrico. Mientras el campo eléctrico
acelera al electrón en la dirección x,
la presencia del campo magnético
hace que este cambie la dirección de
su movimiento hacia el eje y, que
sería algo como lo que se puede
apreciar en la figura:
Figura 1. Sistema bidimensional de electrones
ideal en presencia de un campo magnético fuerte
y un campo eléctrico perpendiculares entre sí.
Lo que obtenemos es un flujo de
electrones en dirección del eje y, lo
que se conoce como corriente
eléctrica. El análisis de la resistividad
y la conductancia del semiconductor,
debido a que se le está aplicando un
campo magnético, se realiza por
medio de tensores.
La tensión de Hall, al igual que en los
laboratorios de circuitos, se mide en
dirección perpendicular a la corriente;
para esto existe una técnica
denominada Técnica de Van der
Pauw.
La Técnica de Van der Pauw, fue
propuesta por Leo J. van der Pauw
en 1958 y es se utiliza para la
determinación de la resistividad y
portador
de
carga
de
un
semiconductor. Siendo así, lo que se
busca es determinar la densidad de
portadores de carga midiendo el
voltaje Hall; para ello se hace fluir una
corriente i, entre los contactos
opuestos 1 y 3; y el voltaje hall (VH)
es medido entre los contactos
opuestos 2 y 4.
El descubrimiento del Efecto Hall
cuántico ha permitido en los diversos
Institutos
Internacionales
de
Metrología reproducir la unidad de
resistencia eléctrica, en términos de
dos constantes físicas fundamentales
que son la constante de plank (h), y la
carga
del
electrón
(e)
.
Esta Resistencia eléctrica, que es la
resistencia de hall, fue expresada por
von Klitzing de la siguiente manera:
𝑅𝑘−90 =
descubrimientos más imprescindibles
en la historia de la física, dándonos
un nuevo patrón de resistencia,
modificando y facilitando nuestro
modo de vida, y quizá lo mas
trascendente, motivando a las
generaciones futuras a observar,
cuestionarse, indagar, y reproducir
conocimiento que de lugar a nuevos
inventos que revolucionen nuestra
forma de ver el mundo y vivir hoy en
día.
ℎ
= 25 812.807 𝛺
𝑒2
Las aplicaciones del efecto Hall, son
variadas; el efecto hall es utilizado en
los Teslámetros, que son los
medidores de campos magnéticos, en
los instrumentos musicales de
carácter electrónico, como
las
organetas, o pianos eléctricos los
cuales utilizan sensores de efecto hall
para evitar el desgaste que sufren los
contactos
tradicionales,
en
el
codificador de los motores de lectura
de los reproductores de CD-DVDBlue-Ray, en el GPS, y existen un
gran
número
de
aplicaciones
posibles.
Para concluir, son innumerables los
avances científicos y tecnológicos
que se han desencadenado gracias al
descubrimiento del Efecto hall y el
Efecto hall cuántico; su importante
aplicación en la ingeniería ha
marcado un antes y un después en la
historia, y su relación tan importante
con la metrología, lo hacen uno de los
REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS




Raymond A. Serway; Jerry S.
Faughn. Fisica para ciencias e
ingeniería.
Mc Graw Hill, sexta edición,
2006
http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080
/dspace/bitstream/123456789/
2484/1/TESIS-FLHM.18.pdf
http://es.scribd.com/doc/50196
46/Efecto-Hall