Lawrenceova sila a galvanomagnetické efekty

Sily pôsobiace na pohybujúce sa nabité častice

Ak sa elektricky nabitá častica pohybuje v okolitom magnetickom poli, potom vnútorné magnetické pole tejto pohybujúcej sa častice a okolité pole interagujú a vytvárajú silu pôsobiacu na časticu. Táto sila má tendenciu meniť smer pohybu častice. Jediná pohybujúca sa častica s elektrickým nábojom spôsobuje vzhľad Magnetické pole Bio-Savara.

Aj keď je pole Bio-Savart, prísne vzaté, generované iba nekonečne dlhým drôtom, v ktorom sa pohybuje veľa nabitých častíc, prierez magnetického poľa okolo trajektórie jednotlivej častice prechádzajúcej touto časticou má rovnakú kruhovú konfiguráciu.

Pole Bio-Savart je však konštantné v priestore aj v čase a pole jednotlivej častice merané v danom bode v priestore sa pri pohybe častice mení.

Lorentzov zákon definuje silu pôsobiacu na pohybujúce sa elektricky nabité častice v magnetickom poli:

F=kQB (dx/dt),

kde B - elektrický náboj častice; B je indukcia vonkajšieho magnetického poľa, v ktorom sa častica pohybuje; dx/dt — rýchlosť častíc; F - výsledná sila pôsobiaca na časticu; k — konštanta proporcionality.

Magnetické pole obklopujúce trajektóriu elektrónu smeruje v smere hodinových ručičiek pri pohľade z oblasti, ku ktorej sa elektrón približuje. V podmienkach pohybu elektrónu je jeho magnetické pole nasmerované proti vonkajšiemu poľu, ktoré ho oslabuje v spodnej časti znázornenej oblasti a zhoduje sa s vonkajším poľom, pričom ho posilňuje v hornej časti.

Oba faktory vedú k sile pôsobiacej na elektrón smerom nadol. Pozdĺž priamky, ktorá sa zhoduje so smerom vonkajšieho poľa, je magnetické pole elektrónu nasmerované v pravom uhle k vonkajšiemu poľu. Pri takomto vzájomne kolmom smere polí ich interakcia nevytvára žiadne sily.

V skratke, ak sa záporne nabitá častica pohybuje zľava doprava v rovine a vonkajšie magnetické pole je nasmerované pozorovateľom do hĺbky schémy, potom Lorentzova sila aplikovaná na časticu smeruje zhora nadol.

Sily pôsobiace na záporne nabitú časticu, ktorej dráha smeruje kolmo na vektor sily vonkajšieho magnetického poľa

Lawrencove sily

Drôt pohybujúci sa v priestore križuje siločiary magnetického poľa existujúceho v tomto priestore, v dôsledku čoho na elektróny vo vnútri drôtu pôsobí určité mechanické koercitívne pole.

Pohyb elektrónov cez magnetické pole nastáva spolu s drôtom.Tento pohyb môže byť obmedzený pôsobením akýchkoľvek síl, ktoré bránia pohybu vodiča; avšak v smere pohybu drôtu nie sú elektróny ovplyvnené elektrickým odporom.

Medzi dvoma koncami takéhoto drôtu sa generuje Lorentzove napätie, ktoré je úmerné rýchlosti pohybu a magnetickej indukcii. Lorentzove sily pohybujú elektróny pozdĺž drôtu jedným smerom, čo vedie k tomu, že na jednom konci drôtu sa hromadí viac elektrónov ako na druhom.

Napätie generované týmto oddelením nábojov má tendenciu priviesť elektróny späť k rovnomernej distribúcii a nakoniec sa vytvorí rovnováha pri udržiavaní určitého napätia úmerného rýchlosti drôtu. Ak vytvoríte podmienky, v ktorých môže drôtom tiecť prúd, potom sa v obvode vytvorí napätie, ktoré je opačné ako pôvodné Lorentzove napätie.

Fotografia ukazuje experimentálne nastavenie na demonštráciu Lorentzovej sily. Ľavý obrázok: ako to vyzerá Vpravo: Lorentzov silový efekt. Elektrón letí z pravého konca doľava Magnetická sila pretína dráhu letu a vychyľuje elektrónový lúč smerom nadol.

Keďže elektrický prúd je usporiadaný pohyb nábojov, pôsobenie magnetického poľa na vodič s prúdom je výsledkom jeho pôsobenia na jednotlivé pohybujúce sa náboje.

Hlavná aplikácia Lorentzovej sily je v elektrických strojoch (generátoroch a motoroch).

Sila pôsobiaca na vodič s prúdom v magnetickom poli sa rovná vektorovému súčtu Lorentzových síl pôsobiacich na každý nosič náboja. Táto sila sa nazýva Ampérova sila, t.j.Ampérová sila sa rovná súčtu všetkých Lorentzových síl pôsobiacich na vodič s prúdom. Pozri: Amperov zákon

Galvanomagnetické efekty

Rôzne dôsledky pôsobenia Lorentzových síl, ktoré spôsobujú odchýlku trajektórie negatívne nabitých častíc - elektrónov pri pohybe pevnými látkami, sa nazývajú galvanomagnetické efekty.

Keď elektrický prúd prúdi v pevnom drôte umiestnenom v magnetickom poli, elektróny nesúce tento prúd sú vychýlené v smere kolmom na smer prúdu aj smer magnetického poľa. Čím rýchlejšie sa elektróny pohybujú, tým viac sú vychýlené.

V dôsledku vychyľovania elektrónov sa vytvárajú gradienty elektrického potenciálu v smeroch kolmých na smer prúdu. V dôsledku toho, že rýchlejšie sa pohybujúce elektróny sú vychýlené viac ako pomalšie sa pohybujúce, vznikajú tepelné gradienty, tiež kolmé na smer prúdu.

Galvanomagnetické efekty teda zahŕňajú elektrické a tepelné javy.

Vzhľadom na to, že elektróny sa môžu pohybovať pod vplyvom silových elektrických, tepelných a chemických polí, galvanomagnetické efekty sú klasifikované ako podľa typu silového poľa, tak aj podľa povahy výsledných javov - tepelné alebo elektrické.

Pojem "galvanomagnetický" sa vzťahuje len na určité javy pozorované v pevných látkach, kde jediným druhom častíc schopných pohybu v akomkoľvek značnom množstve sú elektróny, fungujúce buď ako "voľné činidlá" alebo ako činidlá na vytváranie takzvaných dier.Preto sú galvanomagnetické javy tiež klasifikované v závislosti od typu nosiča, ktorý sa na nich podieľa - voľné elektróny alebo diery.

Jedným z prejavov tepelnej energie je nepretržitý pohyb časti elektrónov akejkoľvek pevnej látky po náhodne smerovaných trajektóriách a náhodnými rýchlosťami. Ak majú tieto pohyby úplne náhodné charakteristiky, potom je súčet všetkých jednotlivých pohybov elektrónov nulový a nie je možné zistiť žiadne dôsledky odchýlok jednotlivých častíc pod vplyvom Lorentzových síl.

Ak existuje elektrický prúd, je prenášaný určitým počtom nabitých častíc alebo nosičov pohybujúcich sa rovnakým alebo rovnakým smerom.

V pevných látkach vzniká elektrický prúd ako výsledok superpozície nejakého všeobecného jednosmerného pohybu na pôvodný náhodný pohyb elektrónov. V tomto prípade je elektrónová aktivita čiastočne náhodná odozva na účinok tepelnej energie a čiastočne jednosmerná odozva na účinok, ktorý generuje elektrický prúd.

Lúč elektrónov pohybujúcich sa po kruhovej dráhe v konštantnom magnetickom poli. Fialové svetlo zobrazujúce dráhu elektrónu v tejto trubici vzniká zrážkou elektrónov s molekulami plynu.

Hoci akýkoľvek pohyb elektrónov reaguje na pôsobenie Lorentzových síl, len tie pohyby, ktoré prispievajú k prenosu prúdu, sa prejavujú v galvanomagnetických javoch.

Galvanomagnetické javy sú teda jedným z dôsledkov umiestnenia pevného telesa do magnetického poľa a pridania jednosmerného pohybu k pohybu jeho elektrónov, ktorý bol za počiatočných podmienok náhodný. Jedným z výsledkov tejto kombinácie podmienok je výskyt populačných gradientov nosných častíc v smere kolmom na ich jednosmerný pohyb.

Lorentzove sily majú tendenciu presunúť všetky nosiče na jednu stranu drôtu. Keďže nosičmi sú nabité častice, takéto gradienty ich populácie vytvárajú aj gradienty elektrického potenciálu, ktoré vyrovnávajú Lorentzove sily a môžu samy vybudiť elektrický prúd.

V prítomnosti takéhoto prúdu sa vytvorí trojzložková rovnováha medzi Lorentzovými silami, galvanomagnetickými napätiami a odporovými napätiami.

Náhodný pohyb elektrónov je podporovaný tepelnou energiou, ktorá je určená teplotou látky. Energia potrebná na udržanie pohybu častíc v jednom smere musí pochádzať z iného zdroja. Ten sa nemôže vytvoriť vo vnútri samotnej látky, ak je v rovnovážnom stave, energia musí pochádzať z prostredia.

Galvanomagnetická konverzia teda súvisí s elektrickými javmi, ktoré sú dôsledkom objavenia sa gradientov populácie nosičov; takéto gradienty vznikajú v pevných látkach, keď sú umiestnené v magnetickom poli a sú vystavené rôznym vplyvom z vonkajšieho prostredia, čo spôsobuje všeobecný jednosmerný pohyb nosičov, ktorých pohyb v počiatočných podmienkach je náhodný.

Klasifikácia galvanomagnetických javov

Je známych šesť hlavných galvanomagnetických efektov:

1.Hallove efekty — objavenie sa gradientov elektrického potenciálu v dôsledku odchýlky nosičov počas ich pohybu pod vplyvom silového elektrického poľa. V tomto prípade sa diery a elektróny súčasne alebo jednotlivo pohybujú v opačných smeroch, a preto sa odchyľujú rovnakým smerom.

Pozri - Aplikácie Hallových snímačov

2. Nerst efekty — objavenie sa gradientov elektrického potenciálu v dôsledku vychýlenia nosičov počas ich pohybu pod vplyvom núteného tepelného poľa, pričom diery a elektróny sa súčasne alebo oddelene pohybujú v rovnakom smere, a preto sa odchyľujú v opačných smeroch.

3. Fotoelektromagnetické a mechanoelektromagnetické efekty — objavenie sa gradientov elektrického potenciálu v dôsledku odchýlky nosičov počas ich pohybu pod vplyvom silového chemického poľa (gradienty populácie častíc). V tomto prípade sa diery a elektróny vytvorené v pároch pohybujú spolu v rovnakom smere, a preto sa odchyľujú v opačných smeroch.

4. Účinky Ettingshausenu a Rigy — Leduc — výskyt tepelných gradientov v dôsledku vychýlenia nosiča, keď sú horúce nosiče vychýlené vo väčšej miere ako studené. Ak sa tepelné gradienty vyskytujú v súvislosti s Hallovými javmi, potom sa tento jav nazýva Ettingshausenov jav, ak sa vyskytujú v súvislosti s Nernstovým javom, potom sa jav nazýva Rigi-Leducov jav.

5. Zvýšenie elektrického odporu v dôsledku vychýlenia nosičov pri ich pohybe vplyvom hnacieho elektrického poľa. Zároveň tu dochádza k zníženiu efektívnej plochy prierezu vodiča v dôsledku posunutia nosičov na jeho jednu stranu a zmenšenia vzdialenosti, ktorú nosiče prejdú v smere prúd v dôsledku predĺženia ich dráhy v dôsledku pohybu po zakrivenej dráhe namiesto priamej.

6. Zvýšenie tepelného odporu v dôsledku meniacich sa podmienok podobných vyššie uvedeným.

Hallov senzor

Hlavné kombinované účinky sa vyskytujú v dvoch prípadoch:

• keď sú vytvorené podmienky pre tok elektrického prúdu pod vplyvom potenciálových gradientov vyplývajúcich z vyššie uvedených javov;
• keď sa vytvoria podmienky pre vznik tepelného toku pod vplyvom tepelných gradientov vyplývajúcich z vyššie uvedených javov.

Okrem toho sú známe kombinované efekty, pri ktorých je jeden z galvanomagnetických efektov kombinovaný s jedným alebo viacerými negalvanomagnetickými efektmi.

1. Tepelné účinky:

• zmeny mobility nosiča v dôsledku zmien teploty;
• pohyblivosť elektrónov a dier sa mení v rôznej miere v závislosti od teploty;
• zmeny populácie nosičov v dôsledku zmien teploty;
• populácie elektrónov a dier sa menia v rôznej miere v dôsledku zmien teploty.

2. Účinky anizotropie. Anizotropné charakteristiky kryštalických látok menia výsledky javu, ktorý by bol pozorovaný pri izotropných charakteristikách.

3. Termoelektrické efekty:

• tepelné gradienty v dôsledku oddelenia teplých a studených médií vytvárajú termoelektrické efekty;
• termoelektrické efekty sú zosilnené v dôsledku zaujatosti nosiča, chemický potenciál na jednotku objemu látky sa mení v dôsledku zmeny populácie nosičov (Nerstove efekty).

4. Feromagnetické efekty. Pohyblivosť nosiča vo feromagnetických látkach závisí od absolútnej sily a smeru magnetického poľa (ako pri Gaussovom jave).

5. Vplyv rozmerov. Ak má teleso v porovnaní s dráhami elektrónov veľké rozmery, tak na aktivitu elektrónov majú prevládajúci vplyv vlastnosti látky v celom objeme telesa. Ak sú rozmery telesa malé v porovnaní s dráhami elektrónov, potom môžu prevládať povrchové efekty.

6. Vplyv silných polí. Galvanomagnetické javy závisia od toho, ako dlho sa nosiče pohybujú po svojej cyklotrónovej trajektórii. V silných magnetických poliach môžu nosiče prejsť po tejto dráhe značnú vzdialenosť. Celkový počet rôznych možných galvanomagnetických efektov je viac ako dvesto, ale v skutočnosti každý z nich možno získať kombináciou javov uvedených vyššie.

Pozri tiež: Elektrina a magnetizmus, základné definície, typy pohybujúcich sa nabitých častíc