jueves, mayo 16, 2013

El efecto Hall | Cuentos Cuánticos


El efecto Hall


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Efectos chulos en física hay a patadas. Allí donde mires encontrarás algo sorprendente. Hoy vamos a hablar de un efecto que puede parecer modesto en un primer vistazo. Sin embargo, su importancia en la tecnología y las sorpresas que esconde cuando se le ve desde el prisma de la cuántica, lo convierten, para mi gusto, en una de las delicias de la física.
Nos referimos al efecto Hall. Así que, si todos estáis listos, vamos a introducir este efecto y a describir sus propiedades más importantes. En siguientes entradas nos dedicaremos a rascar en su parte cuántica. Solo un detalle, para los que son ultrafans del señor Feynman, esta es su última pizarra:
¿Véis a Hall por algún sitio? ;)

Campo magnético, velocidades y otras cosas

El campo eléctrico está creado por las cargas eléctricas. ¿Y el campo magnético? Bueno, el campo magnético (representado por B) es otra historia. El campo magnético está producido por cargas en movimiento. Y además, son las cargas en movimiento las que sienten el campo magnético.  Si la carga está en reposo ni siente ni padece por el magnetismo.
El efecto que tiene un campo magnético sobre una carga en movimiento es la de curvar su trayectoria:

Aquí vemos un electrón que entra en una zona en la que hay un campo magnético ortogonal a la pantalla en sentido entrante.
Imagen tomada de: http://regentsprep.org/Regents/physics/phys03/cdeflecte/
Si la velocidad de la carga es ortogonal al campo dicha carga describirá una órbita circular:
Si la velocidad forma un cierto ángulo con el campo la trayectoria será helicoidal:
Estos comportamientos están descritos perfectamente por la Fuerza de Lorentz.
Depende de la carga, de si hay un campo eléctrico y de una combinación de la velocidad de la carga y el campo magnético que es sensible a la orientación relativa entre estos dos factores. Si la carga entra perpendicular al campo magnético la fuerza de Lorentz es máxima y si entra paralela al campo magnético la fuerza de Lorentz es nula. (Esto es lo que describe las propiedades del producto vectorial que es la operación que relaciona la velocidad con el campo magnético es esa expresión).

El efecto Hall

El efecto Hall es muy fácil de describir. Para medirlo necesitamos:
  1. Una lámina muy fina de metal.
  2. Un cable conductor.
  3. Una pila.
  4. Algo con lo que medir voltajes.
Conectamos la lámina de metal a la pila con la ayuda del cable. Entonces aparece una corriente debido a la diferencia de potencial.
Lo lógico es pensar que si conectamos el aparato de medir voltajes, el voltímetro, en las caras perpendiculares al sentido de la corriente encontremos que la diferencia de potencial es nula en esa dirección.  Y eso es justo lo que pasa.
Pero no acaba aquí la historia. Si aplicamos un campo magnético a la lámina de metal encontramos una diferencia de potencial en la dirección perpendicular al sentido original de la corriente.
¡Esto es increíble!  Además, si variamos el campo magnético, el voltaje en la dirección perpendicular a la dirección que suponemos que tiene la corriente (sin campo magnético) varía consecuentemente. De hecho, sin invertimos el campo magnético la diferencia de potencial también se invierte.
¿Por qué pasa esto?
La respuesta es simple, al tener un campo magnético y una corriente (cargas en movimiento) estas, desde el punto de vista microscópico, desvían sus trayectorias creando esta diferencia de potencial que está ausente si no hay campo magnético aplicado:
Es una aplicación directa de la fuerza de Lorentz. Esto es muy importante porque este efecto no está relacionado con la inducción magnética. Se presenta incluso para corrientes continuas y campos magnéticos constantes.
Este efecto es usado de forma masiva con aplicaciones tecnológicas. Un uso evidente es que es un método estupendo para medir campos magnéticos. Además, por las características del efecto depende del número de cargas y su densidad en el metal, lo que lo hace ideal para hacer medidas muy precisas de la carga del electrón.
Si alguien tiene más interés en el tema aquí os dejo unas lecciones sobre el efecto Hall:

Finalizando

Esta ha sido una entrada cortita. El objetivo era el de presentar el efecto Hall de la manera más simple posible. ¿Por qué?  Pues porque, como hemos comentado al principio, este efecto presenta grandes sorpresas cuando se estudian sus aspectos cuánticos.  Las que más me gustan a mí son:
  1. Las partículas que juegan un papel en este efecto, los electrones, presentan propiedades inesperadas. No son ni bosónicas, ni fermiónicas.
  2. Este efecto plantea unas cuestiones matemáticas muy interesantes. Por comentar algo, está fuertemente relacionado con ideas topológicas.
  3. Es un maravilloso “laboratorio” para jugar con las teorías avanzadas de la física justamente por esa ‘gracia’ matemática que tiene el efecto.
Iremos profundizando en ello poco a poco. Espero que os haya interesado y haber despertado la curiosidad sobre este maravilloso efecto.
Nos seguimos leyendo…
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