Lawrenceova sila i galvanomagnetski učinci

Sile koje djeluju na pokretne nabijene čestice

Ako se električki nabijena čestica kreće u okolnom magnetskom polju, tada unutarnje magnetsko polje te pokretne čestice i okolno polje međusobno djeluju, generirajući silu koja djeluje na česticu. Ta sila nastoji promijeniti smjer gibanja čestice. Jedna pokretna čestica s električnim nabojem uzrokuje pojavu Bio-Savara magnetsko polje.

Iako je Bio-Savartovo polje, strogo govoreći, generirano samo beskonačno dugom žicom u kojoj se gibaju mnoge nabijene čestice, presjek magnetskog polja oko putanje pojedine čestice koja prolazi kroz tu česticu ima istu kružnu konfiguraciju.

Međutim, Bio-Savartovo polje konstantno je iu prostoru iu vremenu, a polje pojedinačne čestice mjereno u određenoj točki prostora mijenja se kako se čestica kreće.

Lorentzov zakon definira silu koja djeluje na pokretnu električki nabijenu česticu u magnetskom polju:

F=kQB (dx/dt),

gdje je B — električni naboj čestice; B je indukcija vanjskog magnetskog polja u kojem se čestica giba; dx/dt — brzina čestica; F — rezultirajuća sila na česticu; k — konstanta proporcionalnosti.

Magnetsko polje koje okružuje putanju elektrona usmjereno je u smjeru kazaljke na satu gledano iz područja kojem se elektron približava. U uvjetima gibanja elektrona, njegovo magnetsko polje je usmjereno protiv vanjskog polja, slabeći ga u donjem dijelu prikazanog područja, a koincidira s vanjskim poljem, pojačavajući ga u gornjem dijelu.

Oba čimbenika rezultiraju silom usmjerenom prema dolje koja se primjenjuje na elektron. Duž ravne crte koja se podudara sa smjerom vanjskog polja, magnetsko polje elektrona usmjereno je pod pravim kutom na vanjsko polje. S takvim međusobno okomitim smjerom polja, njihovo međudjelovanje ne stvara nikakve sile.

Ukratko, ako se negativno nabijena čestica kreće slijeva nadesno u ravnini, a vanjsko magnetsko polje usmjerava promatrač u dubini sheme, tada je Lorentzova sila primijenjena na česticu usmjerena odozgo prema dolje.

Sile koje djeluju na negativno nabijenu česticu čija je putanja usmjerena okomito na vektor sile vanjskog magnetskog polja

Lawrence ovlasti

Žica koja se kreće u prostoru siječe silnice magnetskog polja koje postoji u tom prostoru, uslijed čega na elektrone unutar žice djeluje određeno mehaničko koercitivno polje.

Kretanje elektrona kroz magnetsko polje događa se zajedno s žicom.Ovo kretanje može biti ograničeno djelovanjem bilo koje sile koja ometa kretanje vodiča; međutim, u smjeru kretanja žice, na elektrone ne utječe električni otpor.

Između dva kraja takve žice stvara se Lorentzov napon, koji je proporcionalan brzini gibanja i magnetskoj indukciji. Lorentzove sile pomiču elektrone duž žice u jednom smjeru, što rezultira nakupljanjem više elektrona na jednom kraju žice nego na drugom.

Napon generiran ovim odvajanjem naboja nastoji vratiti elektrone u ravnomjernu raspodjelu i na kraju se uspostavlja ravnoteža uz održavanje određenog napona proporcionalnog brzini žice. Ako stvorite uvjete u kojima struja može teći u žici, tada će se u krugu uspostaviti napon koji je suprotan izvornom Lorentzovom naponu.

Fotografija prikazuje eksperimentalnu postavu za demonstraciju Lorentzove sile. Lijeva slika: kako to izgleda Desno: učinak Lorentzove sile. Elektron leti s desnog kraja na lijevi.Magnetska sila prelazi putanju leta i skreće snop elektrona prema dolje.

Budući da je električna struja uređeno kretanje naboja, učinak magnetskog polja na vodič kroz koji teče struja rezultat je njegovog djelovanja na pojedinačne pokretne naboje.

Glavna primjena Lorentzove sile je u električnim strojevima (generatorima i motorima).

Sila koja djeluje na vodič kroz koji teče struja u magnetskom polju jednaka je vektorskom zbroju Lorentzovih sila koje djeluju na svaki nositelj naboja. Ta se sila naziva Amperovom silom, tj.Amperova sila jednaka je zbroju svih Lorentzovih sila koje djeluju na vodič kroz koji teče struja. Izgled: Amperov zakon

Galvanomagnetski učinci

Različite posljedice djelovanja Lorentzovih sila, koje uzrokuju odstupanje putanje negativno nabijenih čestica - elektrona, dok se kreću kroz čvrsta tijela, nazivaju se galvanomagnetskim efektima.

Kada električna struja teče u čvrstoj žici postavljenoj u magnetsko polje, elektroni koji nose tu struju skreću u smjeru okomitom na smjer struje i na smjer magnetskog polja. Što se elektroni brže kreću, to su više otklonjeni.

Kao rezultat otklona elektrona uspostavljaju se gradijenti električnog potencijala u smjerovima okomitim na smjer struje. Zbog činjenice da se brže gibajući elektroni više otklanjaju od onih sporije gibajućih, nastaju toplinski gradijenti, također okomiti na smjer struje.

Dakle, galvanomagnetski učinci uključuju električne i toplinske pojave.

S obzirom na to da se elektroni mogu gibati pod utjecajem prisilnih električnih, toplinskih i kemijskih polja, galvanomagnetski učinci se klasificiraju kako prema vrsti prisilnog polja tako i prema prirodi rezultirajućih pojava - toplinskih ili električnih.

Izraz "galvanomagnetski" odnosi se samo na određene pojave opažene u krutim tijelima, gdje su jedina vrsta čestica sposobna kretati se u bilo kojoj značajnoj količini elektroni, koji funkcioniraju ili kao "slobodni agensi" ili kao agensi za stvaranje takozvanih rupa.Stoga se galvanomagnetski fenomeni također klasificiraju ovisno o vrsti nositelja koji je u njima uključen - slobodni elektroni ili rupe.

Jedna od manifestacija toplinske energije je kontinuirano kretanje dijela elektrona bilo koje čvrste tvari duž nasumično usmjerenih putanja i nasumičnim brzinama. Ako ta gibanja imaju potpuno slučajne karakteristike, tada je zbroj svih pojedinačnih gibanja elektrona jednak nuli, te je nemoguće otkriti bilo kakve posljedice odstupanja pojedinih čestica pod utjecajem Lorentzovih sila.

Ako električna struja postoji, nosi je određeni broj nabijenih čestica ili nositelja koji se kreću u istom ili istom smjeru.

U čvrstim tijelima električna struja nastaje kao rezultat superpozicije nekog općeg jednosmjernog gibanja na izvorno nasumično gibanje elektrona. U ovom slučaju, aktivnost elektrona je dijelom slučajni odgovor na učinak toplinske energije, a dijelom jednosmjerni odgovor na učinak koji stvara električnu struju.

Snop elektrona koji se kreće po kružnoj orbiti u konstantnom magnetskom polju. Ljubičasta svjetlost koja pokazuje putanju elektrona u ovoj cijevi nastala je sudarom elektrona s molekulama plina.

Iako svako kretanje elektrona odgovara na djelovanje Lorentzovih sila, samo ona kretanja koja pridonose prijenosu struje odražavaju se u galvanomagnetskim pojavama.

Dakle, galvanomagnetske pojave jedna su od posljedica stavljanja čvrstog tijela u magnetsko polje i dodavanja jednosmjernog gibanja gibanju njegovih elektrona, koje je pod početnim uvjetima bilo slučajne prirode. Jedan od rezultata ove kombinacije uvjeta je pojava gradijenata naseljenosti čestica nositelja u smjeru okomitom na njihovo jednosmjerno gibanje.

Lorentzove sile nastoje pomaknuti sve nosače na jednu stranu žice. Budući da su nositelji nabijene čestice, takvi gradijenti njihove naseljenosti također stvaraju gradijente električnog potencijala koji uravnotežuju Lorentzove sile i sami mogu pobuditi električnu struju.

U prisutnosti takve struje uspostavlja se trokomponentna ravnoteža između Lorentzovih sila, galvanomagnetskih napona i otpornih napona.

Nasumično kretanje elektrona podržava toplinska energija, koja je određena temperaturom tvari. Energija potrebna da bi se čestice kretale u jednom smjeru mora dolaziti iz drugog izvora. Ovo posljednje ne može se formirati unutar same tvari, ako je u ravnotežnom stanju, energija mora dolaziti iz okoline.

Dakle, galvanomagnetska pretvorba je povezana s električnim fenomenima koji su posljedica pojave gradijenata naseljenosti nositelja; takvi se gradijenti uspostavljaju u krutim tijelima kada se stave u magnetsko polje i izvrgnu različitim utjecajima iz vanjske okoline, uzrokujući opće jednosmjerno kretanje nositelja čije je kretanje u početnim uvjetima nasumično.

Podjela galvanomagnetskih učinaka

Poznato je šest glavnih galvanomagnetskih učinaka:

1.Hall efekti — pojava gradijenata električnog potencijala kao rezultat odstupanja nositelja tijekom njihovog kretanja pod utjecajem prisilnog električnog polja. U tom se slučaju rupe i elektroni istovremeno ili pojedinačno kreću u suprotnim smjerovima i stoga odstupaju u istom smjeru.

pogledaj - Primjene Hallovih senzora

2. Nerst efekti — pojava gradijenata električnog potencijala kao rezultat otklona nositelja tijekom njihovog kretanja pod utjecajem prisilnog toplinskog polja, dok se šupljine i elektroni istovremeno ili odvojeno kreću u istom smjeru i stoga odstupaju u suprotnim smjerovima.

3. Fotoelektromagnetski i mehanoelektromagnetski učinci — pojava gradijenata električnog potencijala kao rezultat odstupanja nositelja tijekom njihova kretanja pod utjecajem forsirajućeg kemijskog polja (gradijenti naseljenosti čestica). U tom slučaju, šupljine i elektroni formirani u parovima kreću se zajedno u istom smjeru i stoga odstupaju u suprotnim smjerovima.

4. Učinci Ettingshauzena i Rige — Leduc — pojava toplinskih gradijenata kao rezultat otklona nosača, kada su topli nosači otklonjeni u većoj mjeri od hladnih. Ako se toplinski gradijenti javljaju u vezi s Hallovim efektima, tada se ta pojava naziva Ettingshausenov efekt, ako se javljaju u vezi s Nernstovim efektom, tada se pojava naziva Rigi-Leducov efekt.

5. Povećanje električnog otpora kao rezultat otklona nosača tijekom njihovog kretanja pod utjecajem pogonskog električnog polja. Ovdje istodobno dolazi do smanjenja efektivne površine poprečnog presjeka vodiča zbog pomicanja nosača na jednu stranu od njega i smanjenja udaljenosti koju prevoze nosači u smjeru struje zbog produženja njihove putanje zbog kretanja po zakrivljenoj umjesto po ravnoj stazi.

6. Povećanje toplinskog otpora kao rezultat promjene uvjeta sličnih gore navedenim.

Hallov senzor

Glavni kombinirani učinci javljaju se u dva slučaja:

• kada se stvore uvjeti za protok električne struje pod utjecajem gradijenata potencijala koji proizlaze iz navedenih pojava;
• kada se stvore uvjeti za nastanak toplinskog toka pod utjecajem toplinskih gradijenata koji proizlaze iz navedenih pojava.

Osim toga, poznati su kombinirani učinci, u kojima se jedan od galvanomagnetskih učinaka kombinira s jednim ili više negalvanomagnetskih učinaka.

1. Toplinski učinci:

• promjene mobilnosti nosača zbog promjena temperature;
• pokretljivost elektrona i šupljina mijenja se u različitim stupnjevima ovisno o temperaturi;
• promjene populacije nosača zbog promjena temperature;
• populacije elektrona i šupljina mijenjaju se u različitim stupnjevima zbog promjena temperature.

2. Učinci anizotropije. Anizotropne karakteristike kristalnih tvari mijenjaju rezultate fenomena koji bi se promatrali s izotropnim karakteristikama.

3. Termoelektrični učinci:

• toplinski gradijenti zbog odvajanja toplih i hladnih medija stvaraju termoelektrične učinke;
• termoelektrični učinci pojačani su kao rezultat pristranosti nosača, kemijski potencijal po jedinici volumena tvari mijenja se zbog promjene populacije nosača (Nerstov učinak).

4. Feromagnetski učinci. Pokretljivost nositelja u feromagnetskim tvarima ovisi o apsolutnoj jakosti i smjeru magnetskog polja (kao u Gaussovom efektu).

5. Utjecaj dimenzija. Ako tijelo ima velike dimenzije u odnosu na putanje elektrona, tada svojstva tvari u cijelom volumenu tijela imaju dominantan učinak na aktivnost elektrona. Ako su dimenzije tijela male u usporedbi s putanjama elektrona, tada mogu prevladati površinski efekti.

6. Utjecaj jakih polja. Galvanomagnetski fenomeni ovise o tome koliko dugo nosioci putuju svojom ciklotronskom putanjom. U jakim magnetskim poljima, nosioci mogu prijeći znatnu udaljenost tim putem. Ukupan broj različitih mogućih galvanomagnetskih učinaka veći je od dvije stotine, no zapravo se svaki od njih može dobiti kombinacijom gore navedenih pojava.

Vidi također: Elektricitet i magnetizam, osnovne definicije, vrste gibanja nabijenih čestica