在許多沒有獲得諾貝爾獎的物理學家中,Edwin Herbert Hall)是其中的一個,對他來說,這次失敗似乎特別不公平。
1879 年 10月28 日,這23 歲的霍爾發現了一個至今仍在回蕩的發現(這個發現幫助另外四個人獲得諾貝爾獎)。在新成立的約翰霍普金斯大學的一個物理實驗室工作時,霍爾在檢流計計位移中看到了一根針,表明沒有明顯原因的電勢。
他發現了一種很快就會被稱為霍爾效應的現象。假設您有電流流過扁平的導體帶。現在,您將色帶置于垂直于導體平面的磁場中。快!電流瞬間移動,被磁場推到色帶的一側。這會在色帶的兩側產生相反的電荷,從而產生電位差,從而迅速平衡磁場產生的力。該電位表現為垂直電壓,這是霍爾測量的。
今天,霍爾效應在“現實世界”和現實世界之外都有重要的應用。檢測和測量磁場的標準方法是使用稱為霍爾效應傳感器的設備。
這種傳感器每年售出數億件。但霍爾效應最有趣的應用之一是航天器推進。而現在,正如 Dan M. Goebel 和 David Oh 在“金屬世界的使命”中所指出的那樣,基于霍爾效應的推進器將首次推動名為 Psyche 的宇宙飛船進行星際航行。
在 1960 年代初期,美國和蘇聯的研究人員開始發表關于使用電產生等離子體產生推力的實驗的論文。美國很快放棄了霍爾推進器計劃,轉而采用另一種稱為離子推進器的方式。不過,蘇聯的工作仍在繼續,1971 年在蘇聯氣象衛星上發射了霍爾推進器。這是一件大事的開始。
到目前為止,已有 100 多顆蘇聯或俄羅斯衛星使用霍爾推進器,主要用于航天器定向或維持其軌道。在美國,興趣在 1992 年重新燃起,當時作為美國國防部項目的一部分,一組研究人員訪問了俄羅斯實驗室,該項目基于俄羅斯技術生產推進器。今天,工程師們正在世界各地的數十個政府、企業和學術實驗室開發霍爾推進器。
霍爾推進器將開始推動一艘重達 2600 公斤的航天器,其推力相當于五個美國四分之一的重量。
考慮一下 SpaceX 的 Starlink 計劃,該計劃在低地球軌道上聚集衛星以提供寬帶互聯網服務。迄今為止發射的1800 多顆衛星中的每一顆都帶有霍爾推進器,這使 SpaceX 成為迄今為止世界上最大的電動推進器運營商。
霍爾推進器使用電源在陽極和陰極之間建立電位差。惰性氣體,例如氙氣或氪氣,通過陽極中的孔進入通道,從陰極流向陽極的電子使氣體電離,形成帶電等離子體。施加的磁場迫使電子圍繞推進器的軸在陽極下游的出口附近循環。在溝道中旋轉的橫向電子電流稱為霍爾電流。這種電流在等離子體中產生電場,讓人想起霍爾發現的電場,它加速離子并將它們射出通道末端,產生推力。
Robert Goddard、Konstantin Tsiolkovsky 和 Wernher von Braun 都設想在長期太空任務中使用某種形式的離子推進器。2018 年達到了一個重要的里程碑,當時美國宇航局對小行星灶神星和矮行星谷神星的黎明任務由網格離子推進器推動,這是一種不同類型的等離子體驅動器。
明年 8 月,正如 Goebel 和 Oh 在他們的文章中所指出的,四個裝有氙氣的霍爾推進器將開始推動 Psyche 宇宙飛船——全部 2600 公斤——在 24 億公里的小行星帶之旅中。對于只產生280 毫牛頓推力的火箭發動機來說還不錯——相當于五個美國四分之一的重量。到 2024 年,一組霍爾推進器將為 Gateway 月球空間站提供動力,這是 NASA 將宇航員送回月球的 Artemis 計劃的關鍵要素。
你可以稱之為霍爾天才的動人證明。也許比諾貝爾獎更好。