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Effet Hall : la tension qui apparaît dans un conducteur sous champ magnétique

Calculez la tension de Hall, le coefficient de Hall, le champ de Hall et la vitesse de dérive des porteurs de charge dans une plaquette de métal ou de semi-conducteur parcourue par un courant sous champ magnétique.

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Résultats

Tension de Hall

7,352

Coefficient de Hall 1 ÷ (nq)
7,352 × 10⁻¹¹ m³/C
Champ électrique de Hall
0,0007352 V/m
Vitesse de dérive des porteurs
0,0007352 m/s
Densité de porteurs retenue
8,49 × 10²⁸ m⁻³

Une tension transversale née d’un champ magnétique

En 1879, Edwin Hall, alors étudiant à l’université Johns Hopkins, fait passer un courant dans une fine feuille d’or placée entre les pôles d’un aimant. Il mesure une très faible tension en travers de la feuille, perpendiculaire à la fois au courant et au champ. Les charges en mouvement sont déviées sur le côté par la force magnétique, jusqu’à ce que les charges accumulées sur un bord créent un champ électrique qui compense cette force. La tension d’équilibre est la tension de Hall.

Les formules

  • Tension de Hall : V = I × B ÷ (n × q × e)
  • Coefficient de Hall : R_H = 1 ÷ (n × q), en m³/C
  • Champ de Hall : E = V ÷ l
  • Vitesse de dérive des porteurs : v = I ÷ (n × q × l × e)

I est l’intensité, B le champ magnétique, n le nombre de porteurs de charge par mètre cube, q la charge élémentaire (1,602 × 10⁻¹⁹ C), e l’épaisseur de la plaquette dans le sens du champ et l sa largeur, entre les bords où l’on mesure la tension.

Exemple : une plaquette de cuivre

Une plaquette de cuivre de 10 mm de large et 0,1 mm d’épaisseur est parcourue par 10 A dans un champ de 1 T. Le cuivre compte environ 8,49 × 10²⁸ électrons libres par m³ :

  • Tension de Hall : 10 × 1 ÷ (8,49 × 10²⁸ × 1,602 × 10⁻¹⁹ × 0,0001) = 7,35 µV
  • Coefficient de Hall : 7,35 × 10⁻¹¹ m³/C
  • Vitesse de dérive : 0,74 mm/s, moins vite qu’un escargot, malgré 10 A

Avec de l’antimoniure d’indium, qui compte environ 2 × 10²² porteurs par m³, un courant de seulement 10 mA donne environ 31 mV dans le même champ : quatre millions de fois moins de porteurs rendent l’effet quatre millions de fois plus fort par ampère. C’est pourquoi les capteurs à effet Hall sont en semi-conducteur et non en métal.

Lire le résultat

  • La tension est proportionnelle au courant et au champ : une sonde de Hall étalonnée devient un teslamètre.
  • Elle est inversement proportionnelle à l’épaisseur : les capteurs utilisent des couches très minces.
  • Son signe indique si les porteurs sont des électrons négatifs ou des trous positifs, ce qui a permis de montrer que certains métaux et semi-conducteurs dopés conduisent par trous.

Limites

La formule simple suppose un seul type de porteur. Dans un semi-conducteur où coexistent électrons et trous, ou dans des métaux comme le zinc ou le béryllium, le coefficient mesuré mélange les deux et son signe peut surprendre. À très basse température et sous champ intense apparaît l’effet Hall quantique, où la résistance prend des valeurs exactes h ÷ (ie²), aujourd’hui utilisées comme étalon de l’ohm.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'effet Hall ?

Quand un courant traverse un conducteur placé dans un champ magnétique perpendiculaire, la force de Lorentz dévie les charges en mouvement vers un bord. Une petite tension, la tension de Hall, apparaît alors entre les deux bords. Edwin Hall l'a découverte en 1879.

Pourquoi la tension de Hall est-elle si faible dans le cuivre ?

Parce que le cuivre compte environ 8,5 × 10²⁸ électrons libres par mètre cube. Plus il y a de porteurs, plus ils dérivent lentement pour un même courant, et plus la déviation est faible. Les semi-conducteurs comme l'antimoniure d'indium en ont beaucoup moins : leur tension de Hall est des millions de fois plus grande.

À quoi sert le coefficient de Hall ?

R_H = 1 ÷ (nq) donne la densité de porteurs et, par son signe, leur nature : négatif pour les électrons, positif pour les trous. Sa mesure est une méthode classique de caractérisation des semi-conducteurs.

Où trouve-t-on des capteurs à effet Hall ?

Dans les smartphones (boussole), les capteurs de vitesse de roue et de vilebrequin des voitures, les moteurs sans balais, les pinces ampèremétriques ou les claviers. Ils mesurent un champ magnétique sans contact, ce qui les rend fiables et bon marché.

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