Forța Lawrence și efectele galvanomagnetice

Forțe aplicate particulelor încărcate în mișcare

Dacă o particulă încărcată electric se mișcă într-un câmp magnetic înconjurător, atunci câmpul magnetic intern al acelei particule în mișcare și câmpul înconjurător interacționează, generând o forță aplicată particulei. Această forță tinde să schimbe direcția de mișcare a particulei. O singură particulă în mișcare cu o sarcină electrică provoacă apariția Câmp magnetic Bio-Savara.

Deși câmpul Bio-Savart, strict vorbind, este generat doar de un fir infinit de lung în care se mișcă multe particule încărcate, secțiunea transversală a câmpului magnetic în jurul traiectoriei unei particule individuale care trece prin acea particulă are aceeași configurație circulară.

Cu toate acestea, câmpul Bio-Savart este constant atât în ​​spațiu, cât și în timp, iar câmpul unei particule individuale măsurat într-un anumit punct din spațiu se modifică pe măsură ce particula se mișcă.

Legea lui Lorentz definește forța care acționează asupra unei particule încărcate electric în mișcare într-un câmp magnetic:

F=kQB (dx/dt),

unde B — sarcina electrică a particulei; B este inducerea câmpului magnetic extern în care se mișcă particula; dx/dt — viteza particulelor; F — forța rezultată asupra particulei; k — constantă de proporționalitate.

Câmpul magnetic care înconjoară traiectoria electronului este îndreptat în sensul acelor de ceasornic atunci când este privit din regiunea de care se apropie electronul. În condițiile mișcării electronului, câmpul său magnetic este îndreptat împotriva câmpului extern, slăbind-l în partea inferioară a regiunii prezentate și coincide cu câmpul exterior, întărindu-l în partea superioară.

Ambii factori au ca rezultat o forță descendentă aplicată electronului. De-a lungul unei linii drepte care coincide cu direcția câmpului extern, câmpul magnetic al electronului este îndreptat în unghi drept față de câmpul extern. Cu o astfel de direcție reciproc perpendiculară a câmpurilor, interacțiunea lor nu generează forțe.

În scurt, dacă o particulă încărcată negativ se mișcă de la stânga la dreapta într-un plan și câmpul magnetic extern este direcționat de către observator la adâncimea schemei, atunci forța Lorentz aplicată particulei este direcționată de sus în jos.

Forțe care acționează asupra unei particule încărcate negativ a cărei traiectorie este îndreptată perpendicular pe vectorul forță al câmpului magnetic extern

Puterile lui Lawrence

Un fir care se deplasează în spațiu traversează liniile de forță ale câmpului magnetic existent în acest spațiu, drept urmare un anumit câmp mecanic coercitiv acționează asupra electronilor din interiorul firului.

Mișcarea electronilor printr-un câmp magnetic are loc împreună cu firul.Această mișcare poate fi restricționată de acțiunea oricăror forțe care împiedică mișcarea conductorului; cu toate acestea, în sensul de mers al firului, electronii nu sunt afectați de rezistența electrică.

Între cele două capete ale unui astfel de fir se generează o tensiune Lorentz, care este proporțională cu viteza de mișcare și cu inducția magnetică. Forțele Lorentz mută electronii de-a lungul firului într-o direcție, ceea ce duce la acumularea de mai mulți electroni la un capăt al firului decât la celălalt.

Tensiunea generată de această separare a sarcinilor tinde să readucă electronii la o distribuție uniformă și în cele din urmă se stabilește echilibrul menținând o anumită tensiune proporțională cu viteza firului. Dacă creați condiții în care curentul poate curge în fir, atunci se va stabili o tensiune în circuit care este opusă tensiunii originale Lorentz.

Fotografia prezintă o configurație experimentală pentru a demonstra forța Lorentz. Imagine din stânga: cum arată Dreapta: efect de forță Lorentz. Un electron zboară de la capătul drept la stânga.Forța magnetică traversează calea de zbor și deviază fasciculul de electroni în jos.

Deoarece un curent electric este o mișcare ordonată a sarcinilor, efectul unui câmp magnetic asupra unui conductor care poartă curent este rezultatul acțiunii sale asupra sarcinilor individuale în mișcare.

Aplicația principală a forței Lorentz este în mașinile electrice (generatoare și motoare).

Forța care acționează asupra unui conductor purtător de curent într-un câmp magnetic este egală cu suma vectorială a forțelor Lorentz care acționează asupra fiecărui purtător de sarcină. Această forță se numește forța lui Ampere, adică.Forța amperului este egală cu suma tuturor forțelor Lorentz care acționează asupra unui conductor care transportă curent. Uite: Legea lui Ampere

Efecte galvanomagnetice

Diverse consecințe ale acțiunii forțelor Lorentz, care provoacă o abatere a traiectoriei particulelor încărcate negativ - electronii, în timp ce se deplasează prin solide, sunt numite efecte galvanomagnetice.

Când un curent electric curge într-un fir solid plasat într-un câmp magnetic, electronii care transportă acel curent sunt deviați într-o direcție perpendiculară atât pe direcția curentului, cât și pe direcția câmpului magnetic. Cu cât electronii se mișcă mai repede, cu atât sunt deviați mai mult.

Ca urmare a deviației electronilor, se stabilesc gradienți de potențial electric în direcții perpendiculare pe direcția curentului. Datorită faptului că electronii cu mișcare mai rapidă sunt deviați mai mult decât cei cu mișcare mai lentă, apar gradienți termici, de asemenea perpendiculari pe direcția curentului.

Astfel, efectele galvanomagnetice includ fenomene electrice și termice.

Având în vedere că electronii se pot deplasa sub influența câmpurilor electrice, termice și chimice de forțare, efectele galvanomagnetice sunt clasificate atât după tipul câmpului de forțare, cât și după natura fenomenelor rezultate - termice sau electrice.

Termenul „galvanomagnetic” se referă doar la anumite fenomene observate în solide, unde singurul tip de particule capabile să se miște în orice cantitate apreciabilă sunt electronii, funcționând fie ca „agenți liberi”, fie ca agenți pentru formarea așa-numitelor găuri.Prin urmare, fenomenele galvanomagnetice sunt clasificate și în funcție de tipul de purtător implicat în ele - electroni liberi sau găuri.

Una dintre manifestările energiei termice este mișcarea continuă a unei părți a electronilor oricărei substanțe solide de-a lungul traiectoriilor direcționate aleatoriu și la viteze aleatorii. Dacă aceste mișcări au caracteristici complet aleatorii, atunci suma tuturor mișcărilor individuale ale electronilor este zero și este imposibil de detectat orice consecință a abaterilor particulelor individuale sub influența forțelor Lorentz.

Dacă există un curent electric, acesta este transportat de un anumit număr de particule încărcate sau purtători care se mișcă în aceeași direcție sau în aceeași direcție.

În solide, curentul electric apare ca urmare a suprapunerii unei mișcări unidirecționale generale asupra mișcării aleatorii inițiale a electronilor. În acest caz, activitatea electronilor este parțial un răspuns aleatoriu la efectul energiei termice și parțial un răspuns unidirecțional la efectul care generează un curent electric.

Un fascicul de electroni care se mișcă pe o orbită circulară într-un câmp magnetic constant. Lumina violetă care arată calea unui electron în acest tub este creată prin ciocnirea electronilor cu moleculele de gaz.

Deși orice mișcare a electronilor răspunde la acțiunea forțelor Lorentz, doar acele mișcări care contribuie la transferul de curent se reflectă în fenomenele galvanomagnetice.

Deci, fenomenele galvanomagnetice sunt una dintre consecințele plasării unui corp solid într-un câmp magnetic și adăugării mișcării electronilor săi mișcări unidirecționale, care în condițiile inițiale era de natură aleatorie.Unul dintre rezultatele acestei combinații de condiții este: apariția gradienților de populație ai particulelor purtătoare într-o direcție perpendiculară pe mișcarea lor unidirecțională.

Forțele Lorentz tind să mute toți purtătorii pe o parte a firului. Deoarece purtătorii sunt particule încărcate, astfel de gradienți ai populației lor creează și gradienți de potențial electric care echilibrează forțele Lorentz și pot ei înșiși excita un curent electric.

În prezența unui astfel de curent, se stabilește un echilibru cu trei componente între forțele Lorentz, tensiunile galvanomagnetice și tensiunile rezistive.

Mișcarea aleatorie a electronilor este susținută de energia termică, care este determinată de temperatura unei substanțe. Energia necesară pentru a menține particulele în mișcare într-o direcție trebuie să provină dintr-o altă sursă. Aceasta din urma nu se poate forma in interiorul substantei in sine, daca se afla in stare de echilibru, energia trebuie sa provina din mediul inconjurator.

Astfel, conversia galvanomagnetică este legată de fenomene electrice care sunt o consecință a apariției gradienților de populație purtător; astfel de gradienți se stabilesc în solide atunci când sunt plasați într-un câmp magnetic și supuși diferitelor influențe din mediul extern, determinând o mișcare generală unidirecțională a purtătorilor a căror mișcare în condițiile inițiale este aleatorie.

Clasificarea efectelor galvanomagnetice

Sunt cunoscute șase efecte galvanomagnetice principale:

1.Efecte Hall — apariția gradienților potențialului electric ca urmare a abaterii purtătorilor în timpul deplasării lor sub influența câmpului electric de forțare. În acest caz, găurile și electronii se mișcă simultan sau individual în direcții opuse și, prin urmare, deviază în aceeași direcție.

Uite - Aplicații cu senzori Hall

2. Efecte Nrst — apariția gradienților de potențial electric ca urmare a deflexiunii purtătorilor în timpul mișcării lor sub influența unui câmp termic forțat, în timp ce găurile și electronii se deplasează simultan sau separat în aceeași direcție și deci deviază în direcții opuse.

3. Efecte fotoelectromagnetice și mecanoelectromagnetice — apariția gradienților potențialului electric ca urmare a abaterii purtătorilor în timpul deplasării lor sub influența câmpului chimic de forțare (gradienți ai populației de particule). În acest caz, găurile și electronii formați în perechi se mișcă împreună în aceeași direcție și, prin urmare, deviază în direcții opuse.

4. Efectele Ettingshausen și Riga — Leduc — apariția gradienților termici ca urmare a deflexiunii purtătorului, atunci când purtătorii fierbinți sunt deviați într-o măsură mai mare decât cei reci. Dacă gradienții termici apar în legătură cu efectele Hall, atunci acest fenomen se numește efect Ettingshausen, dacă apar în legătură cu efectul Nernst, atunci fenomenul se numește efect Rigi-Leduc.

5. Creșterea rezistenței electrice ca urmare a deviației purtătorilor în timpul mișcării lor sub influența unui câmp electric de antrenare. Aici, în același timp, există o scădere a ariei secțiunii transversale efective a conductorului din cauza deplasării purtătorilor pe o parte a acestuia și o scădere a distanței parcurse de purtători în direcția curent datorită prelungirii traseului lor datorită deplasării pe o cale curbă în loc de una dreaptă.

6. Creșterea rezistenței termice ca urmare a schimbării condițiilor similare celor de mai sus.

Senzor cu efect Hall

Principalele efecte combinate apar în două cazuri:

• când se creează condiții pentru curgerea curentului electric sub influența gradienților de potențial rezultați din fenomenele de mai sus;
• când se creează condiţii pentru formarea unui flux de căldură sub influenţa gradienţilor termici rezultaţi din fenomenele de mai sus.

În plus, sunt cunoscute efecte combinate, în care unul dintre efectele galvanomagnetice este combinat cu unul sau mai multe efecte non-galvanomagnetice.

1. Efecte termice:

• mobilitatea transportatorului se modifică datorită schimbărilor de temperatură;
• mobilitățile electronilor și ale găurilor se modifică în grade diferite în funcție de temperatură;
• populația de purtători se modifică datorită schimbărilor de temperatură;
• populațiile de electroni și găuri se modifică în grade diferite din cauza schimbărilor de temperatură.

2. Efectele anizotropiei. Caracteristicile anizotrope ale substanțelor cristaline modifică rezultatele fenomenului care s-ar observa cu caracteristici izotrope.

3. Efecte termoelectrice:

• gradienții termici datorați separării mediilor calde și reci generează efecte termoelectrice;
• efectele termoelectrice sunt sporite ca urmare a prejudiciului purtătorului, potențialul chimic pe unitate de volum al substanței se modifică datorită unei modificări a populației de purtători (efecte Nerst).

4. Efecte ferromagnetice. Mobilitatea purtătorului în substanțele feromagnetice depinde de puterea și direcția absolută a câmpului magnetic (ca în efectul Gaussian).

5. Influența dimensiunilor. Dacă corpul are dimensiuni mari în comparație cu traiectoriile electronilor, atunci proprietățile substanței în volumul corpului au un efect predominant asupra activității electronilor. Dacă dimensiunile corpului sunt mici în comparație cu traiectoriile electronilor, atunci efectele de suprafață pot predomina.

6. Influența câmpurilor puternice. Fenomenele galvanomagnetice depind de cât timp călătoresc purtătorii de-a lungul traiectoriei lor ciclotron. În câmpuri magnetice puternice, purtătorii pot parcurge o distanță considerabilă pe această cale. Numărul total de diferite efecte galvanomagnetice posibile este mai mare de două sute, dar de fapt fiecare dintre ele poate fi obținut prin combinarea fenomenelor enumerate mai sus.

Vezi si: Electricitate și magnetism, definiții de bază, tipuri de particule încărcate în mișcare