Lawrenceova sila in galvanomagnetni učinki

Sile, ki delujejo na premikajoče se nabite delce

Če se električno nabit delec giblje v okoliškem magnetnem polju, potem notranje magnetno polje tega gibajočega se delca in okoliško polje medsebojno delujeta, kar ustvarja silo, ki deluje na delec. Ta sila teži k spremembi smeri gibanja delca. En sam gibajoči se delec z električnim nabojem povzroči pojav Bio-Savara magnetno polje.

Čeprav polje Bio-Savart, strogo gledano, generira samo neskončno dolga žica, v kateri se gibljejo številni nabiti delci, ima presek magnetnega polja okoli poti posameznega delca, ki gre skozi ta delec, enako krožno konfiguracijo.

Vendar pa je Bio-Savartovo polje konstantno tako v prostoru kot v času in polje posameznega delca, izmerjeno na določeni točki v prostoru, se spreminja, ko se delec premika.

Lorentzov zakon določa silo, ki deluje na gibajoči se električno nabit delec v magnetnem polju:

F=kQB (dx/dt),

kjer je B - električni naboj delca; B je indukcija zunanjega magnetnega polja, v katerem se delec giblje; dx/dt — hitrost delcev; F - nastala sila na delec; k — konstanta sorazmernosti.

Magnetno polje, ki obdaja pot elektrona, je usmerjeno v smeri urinega kazalca, gledano z območja, ki se mu elektron približuje. V pogojih gibanja elektrona je njegovo magnetno polje usmerjeno proti zunanjemu polju, ki ga v spodnjem delu prikazanega območja oslabi, in sovpada z zunanjim poljem ter ga okrepi v zgornjem delu.

Oba dejavnika povzročita silo navzdol, ki deluje na elektron. Vzdolž ravne črte, ki sovpada s smerjo zunanjega polja, je magnetno polje elektrona usmerjeno pravokotno na zunanje polje. Pri tako medsebojno pravokotni smeri polj njuno medsebojno delovanje ne ustvarja nobenih sil.

V kratkem, če se negativno nabit delec premika od leve proti desni v ravnini in zunanje magnetno polje usmeri opazovalec v globino sheme, potem je Lorentzova sila, ki deluje na delec, usmerjena od zgoraj navzdol.

Sile, ki delujejo na negativno nabit delec, katerega pot je usmerjena pravokotno na vektor sile zunanjega magnetnega polja

Lawrence's Powers

Žica, ki se giblje v prostoru, prečka silnice magnetnega polja, ki obstaja v tem prostoru, zaradi česar na elektrone znotraj žice deluje določeno mehansko prisilno polje.

Gibanje elektronov skozi magnetno polje poteka skupaj z žico.To gibanje je lahko omejeno z delovanjem kakršnih koli sil, ki ovirajo gibanje prevodnika; vendar v smeri gibanja žice na elektrone ne vpliva električni upor.

Med obema koncema takšne žice se ustvari Lorentzova napetost, ki je sorazmerna s hitrostjo gibanja in magnetno indukcijo. Lorentzove sile premikajo elektrone vzdolž žice v eno smer, zaradi česar se na enem koncu žice kopiči več elektronov kot na drugem.

Napetost, ki nastane zaradi te ločitve nabojev, teži k temu, da elektrone vrne k enakomerni porazdelitvi in ​​sčasoma se vzpostavi ravnotežje, medtem ko se ohranja določena napetost, ki je sorazmerna s hitrostjo žice. Če ustvarite pogoje, v katerih lahko tok teče v žici, se bo v vezju vzpostavila napetost, ki je nasprotna prvotni Lorentzovi napetosti.

Fotografija prikazuje poskusno postavitev za prikaz Lorentzove sile. Leva slika: kako izgleda Desno: učinek Lorentzove sile. Elektron leti z desnega konca proti levemu.Magnetna sila prečka pot leta in odkloni elektronski žarek navzdol.

Ker je električni tok urejeno gibanje nabojev, je učinek magnetnega polja na prevodnik, po katerem teče tok, posledica njegovega delovanja na posamezne gibajoče se naboje.

Glavna uporaba Lorentzove sile je v električnih strojih (generatorjih in motorjih).

Sila, ki deluje na vodnik s tokom v magnetnem polju, je enaka vektorski vsoti Lorentzovih sil, ki delujejo na posamezne nosilce naboja. To silo imenujemo Amperova sila, tj.Amperova sila je enaka vsoti vseh Lorentzovih sil, ki delujejo na vodnik, po katerem teče tok. poglej: Amperov zakon

Galvanomagnetni učinki

Različne posledice delovanja Lorentzovih sil, ki povzročajo odstopanje tirnice negativno nabitih delcev - elektronov, med premikanjem skozi trdne snovi, imenujemo galvanomagnetni učinki.

Ko električni tok teče v trdni žici, postavljeni v magnetno polje, se elektroni, ki prenašajo ta tok, odklonijo v smeri, ki je pravokotna na smer toka in smer magnetnega polja. Hitreje ko se elektroni premikajo, bolj se odklanjajo.

Zaradi odklona elektronov se vzpostavijo gradienti električnega potenciala v smereh, ki so pravokotne na smer toka. Ker se hitreje gibajoči elektroni odklonijo bolj kot počasneje, nastanejo toplotni gradienti, tudi pravokotni na smer toka.

Tako galvanomagnetni učinki vključujejo električne in toplotne pojave.

Glede na to, da se elektroni lahko premikajo pod vplivom prisilnih električnih, toplotnih in kemičnih polj, so galvanomagnetni učinki razvrščeni tako glede na vrsto prisilnega polja kot tudi po naravi posledičnih pojavov - toplotnih ali električnih.

Izraz "galvanomagnetno" se nanaša samo na nekatere pojave, opažene v trdnih snoveh, kjer so edina vrsta delcev, ki se lahko gibljejo v kakršni koli znatni količini, elektroni, ki delujejo bodisi kot "prosti agenti" bodisi kot agenti za tvorbo tako imenovanih lukenj.Zato so galvanomagnetni pojavi razvrščeni tudi glede na vrsto nosilca, ki je v njih vključen - prosti elektroni ali luknje.

Ena od manifestacij toplotne energije je neprekinjeno gibanje dela elektronov katere koli trdne snovi vzdolž naključno usmerjenih poti in z naključnimi hitrostmi. Če imajo ta gibanja popolnoma naključne značilnosti, potem je vsota vseh posameznih gibanj elektronov enaka nič in je nemogoče zaznati posledice odstopanj posameznih delcev pod vplivom Lorentzovih sil.

Če električni tok obstaja, ga prenaša določeno število nabitih delcev ali nosilcev, ki se gibljejo v isto ali isto smer.

V trdnih snoveh električni tok nastane kot posledica superpozicije nekega splošnega enosmernega gibanja na prvotno naključno gibanje elektronov. V tem primeru je aktivnost elektronov deloma naključen odziv na učinek toplotne energije in deloma enosmerni odziv na učinek, ki generira električni tok.

Žarek elektronov, ki se gibljejo po krožni orbiti v stalnem magnetnem polju. Vijolična svetloba, ki prikazuje pot elektrona v tej cevi, nastane zaradi trka elektronov z molekulami plina.

Čeprav se vsako gibanje elektronov odziva na delovanje Lorentzovih sil, se v galvanomagnetnih pojavih odražajo le tista gibanja, ki prispevajo k prenosu toka.

Galvanomagnetni pojavi so torej ena od posledic postavitve trdnega telesa v magnetno polje in dodajanja enosmernega gibanja gibanju njegovih elektronov, ki je bilo v začetnih pogojih naključne narave. Eden od rezultatov te kombinacije pogojev je pojav populacijskih gradientov nosilnih delcev v smeri, ki je pravokotna na njihovo enosmerno gibanje.

Lorentzove sile težijo premakniti vse nosilce na eno stran žice. Ker so nosilci nabiti delci, takšni gradienti njihove naseljenosti ustvarjajo tudi gradiente električnega potenciala, ki uravnavajo Lorentzove sile in lahko sami vzbudijo električni tok.

Ob prisotnosti takega toka se vzpostavi trikomponentno ravnovesje med Lorentzovimi silami, galvanomagnetnimi napetostmi in uporovnimi napetostmi.

Naključno gibanje elektronov podpira toplotna energija, ki jo določa temperatura snovi. Energija, ki je potrebna za ohranjanje gibanja delcev v eno smer, mora prihajati iz drugega vira. Ta slednja ne more nastati znotraj same snovi, če je ta v ravnotežnem stanju, mora energija prihajati iz okolja.

Tako je galvanomagnetna pretvorba povezana z električnimi pojavi, ki so posledica pojava gradientov naseljenosti nosilcev; taki gradienti se vzpostavijo v trdnih snoveh, ko so postavljene v magnetno polje in podvržene različnim vplivom zunanjega okolja, kar povzroča splošno enosmerno gibanje nosilcev, katerih gibanje je v začetnih pogojih naključno.

Razvrstitev galvanomagnetnih učinkov

Znanih je šest glavnih galvanomagnetnih učinkov:

1.Dvoranski učinki — pojav gradientov električnega potenciala kot posledica odstopanja nosilcev med njihovim gibanjem pod vplivom prisilnega električnega polja. V tem primeru se luknje in elektroni istočasno ali posamezno gibljejo v nasprotnih smereh in zato odstopajo v isto smer.

Poglej - Uporaba Hallovih senzorjev

2. Nerstovi učinki — pojav gradientov električnega potenciala kot posledica odklona nosilcev med njihovim gibanjem pod vplivom prisilnega toplotnega polja, medtem ko se luknje in elektroni istočasno ali ločeno premikajo v isto smer in zato odstopajo v nasprotnih smereh.

3. Fotoelektromagnetni in mehanoelektromagnetni učinki — pojav gradientov električnega potenciala kot posledica odstopanja nosilcev med njihovim gibanjem pod vplivom prisilnega kemijskega polja (gradienti populacije delcev). V tem primeru se luknje in elektroni, ki nastanejo v parih, gibljejo skupaj v isto smer in zato odstopajo v nasprotnih smereh.

4. Učinki Ettingshausna in Rige — Leduc — pojav toplotnih gradientov kot posledica upogiba nosilca, ko se vroči nosilci upogibajo v večji meri kot hladni. Če se toplotni gradienti pojavijo v povezavi s Hallovimi učinki, potem se ta pojav imenuje Ettingshausenov učinek, če se pojavijo v povezavi z Nernstovim učinkom, potem se pojav imenuje Rigi-Leducov učinek.

5. Povečanje električnega upora kot posledica odklona nosilcev med njihovim gibanjem pod vplivom pogonskega električnega polja. Tu se hkrati zmanjša efektivna površina prečnega prereza prevodnika zaradi premika nosilcev na eno stran od njega in zmanjša razdalja, ki jo prevozijo nosilci v smeri tok zaradi podaljšanja njihove poti zaradi premikanja po zakrivljeni poti namesto po ravni.

6. Povečanje toplotne odpornosti kot posledica spreminjanja pogojev, podobnih zgoraj navedenim.

Hallov senzor

Glavni kombinirani učinki se pojavijo v dveh primerih:

• ko so ustvarjeni pogoji za pretok električnega toka pod vplivom potencialnih gradientov, ki so posledica zgornjih pojavov;
• ko se ustvarijo pogoji za nastanek toplotnega toka pod vplivom toplotnih gradientov, ki so posledica zgornjih pojavov.

Poleg tega so znani kombinirani učinki, pri katerih se eden od galvanomagnetnih učinkov kombinira z enim ali več negalvanomagnetnimi učinki.

1. Toplotni učinki:

• spremembe mobilnosti nosilca zaradi temperaturnih sprememb;
• gibljivosti elektronov in lukenj se spreminjajo v različnih stopnjah glede na temperaturo;
• spremembe populacije nosilca zaradi temperaturnih sprememb;
• populacije elektronov in lukenj se spreminjajo v različnih stopnjah zaradi sprememb temperature.

2. Učinki anizotropije. Anizotropne značilnosti kristaliničnih snovi spremenijo rezultate pojava, ki bi ga opazili z izotropnimi značilnostmi.

3. Termoelektrični učinki:

• toplotni gradienti zaradi ločevanja toplega in hladnega medija ustvarjajo termoelektrične učinke;
• termoelektrični učinki se povečajo zaradi pristranskosti nosilca, kemijski potencial na prostorninsko enoto snovi se spremeni zaradi spremembe populacije nosilcev (Nerstov učinek).

4. Feromagnetni učinki. Mobilnost nosilcev v feromagnetnih snoveh je odvisna od absolutne jakosti in smeri magnetnega polja (kot pri Gaussovem učinku).

5. Vpliv dimenzij. Če ima telo velike dimenzije v primerjavi s trajektorijami elektronov, potem na aktivnost elektronov prevladujoče vplivajo lastnosti snovi v celotnem volumnu telesa. Če so dimenzije telesa majhne v primerjavi s trajektorijami elektronov, lahko prevladujejo površinski učinki.

6. Vpliv močnih polj. Galvanomagnetni pojavi so odvisni od tega, kako dolgo potujejo nosilci po svoji ciklotronski poti. V močnih magnetnih poljih lahko nosilci po tej poti prepotujejo precejšnje razdalje. Skupno število različnih možnih galvanomagnetnih učinkov je več kot dvesto, vendar je pravzaprav vsakega od njih mogoče dobiti s kombinacijo zgoraj naštetih pojavov.

Poglej tudi: Elektrika in magnetizem, osnovne definicije, vrste gibajočih se nabitih delcev