Lawrence kraft og galvanomagnetiske effekter

Krefter påført ladede partikler i bevegelse

Hvis en elektrisk ladet partikkel beveger seg i et omgivende magnetfelt, samhandler det indre magnetiske feltet til den bevegelige partikkelen og det omkringliggende feltet, og genererer en kraft som påføres partikkelen. Denne kraften har en tendens til å endre bevegelsesretningen til partikkelen. En enkelt bevegelig partikkel med en elektrisk ladning forårsaker utseendet Bio-Savara magnetfelt.

Selv om Bio-Savart-feltet strengt tatt kun genereres av en uendelig lang ledning der mange ladede partikler beveger seg, har tverrsnittet av magnetfeltet rundt banen til en individuell partikkel som passerer gjennom den partikkelen samme sirkulære konfigurasjon.

Imidlertid er Bio-Savart-feltet konstant i både rom og tid, og feltet til en individuell partikkel målt på et gitt punkt i rommet endres etter hvert som partikkelen beveger seg.

Lorentz lov definerer kraften som virker på en elektrisk ladet partikkel i bevegelse i et magnetfelt:

F=kQB (dx/dt),

hvor B - den elektriske ladningen til partikkelen; B er induksjonen av det ytre magnetfeltet som partikkelen beveger seg i; dx/dt — hastigheten til partikler; F — den resulterende kraften på partikkelen; k — proporsjonalitetskonstant.

Magnetfeltet som omgir elektronets bane er rettet med klokken sett fra området elektronet nærmer seg. Under betingelsene for elektronets bevegelse er dets magnetiske felt rettet mot det ytre feltet, og svekker det i den nedre delen av det viste området, og faller sammen med det ytre feltet, og styrker det i den øvre delen.

Begge faktorene resulterer i en nedadgående kraft påført elektronet. Langs en rett linje som sammenfaller med retningen til det ytre feltet, er elektronets magnetfelt rettet i rette vinkler på det ytre feltet. Med en slik innbyrdes vinkelrett retning av feltene genererer ikke deres samspill noen krefter.

Kort oppsummert, hvis en negativt ladet partikkel beveger seg fra venstre til høyre i et plan og det eksterne magnetfeltet blir rettet av observatøren i dybden av skjemaet, blir Lorentz-kraften påført partikkelen rettet fra topp til bunn.

Krefter som virker på en negativt ladet partikkel hvis bane er rettet vinkelrett på kraftvektoren til det ytre magnetfeltet

Lawrences krefter

En ledning som beveger seg i rommet krysser kraftlinjene til magnetfeltet som eksisterer i dette rommet, som et resultat av at et visst mekanisk tvangsfelt virker på elektronene inne i ledningen.

Bevegelsen av elektroner gjennom et magnetfelt skjer sammen med ledningen.Denne bevegelsen kan begrenses av virkningen av krefter som hindrer lederens bevegelse; men i trådens bevegelsesretning påvirkes ikke elektronene av elektrisk motstand.

Mellom de to endene av en slik ledning genereres en Lorentz-spenning, som er proporsjonal med bevegelseshastigheten og den magnetiske induksjonen. Lorentz-krefter beveger elektroner langs ledningen i én retning, noe som resulterer i at flere elektroner samler seg i den ene enden av ledningen enn i den andre.

Spenningen som genereres av denne separasjonen av ladninger har en tendens til å bringe elektronene tilbake til en jevn fordeling og til slutt etableres likevekt samtidig som en viss spenning opprettholdes proporsjonal med ledningens hastighet. Hvis du skaper forhold der det kan gå strøm i ledningen, vil det etableres en spenning i kretsen som er motsatt av den opprinnelige Lorentz-spenningen.

Bildet viser et eksperimentelt oppsett for å demonstrere Lorentz-styrken. Venstre bilde: hvordan det ser ut Høyre: Lorentz krafteffekt. Et elektron flyr fra høyre ende til venstre. Den magnetiske kraften krysser flyveien og avleder elektronstrålen nedover.

Siden en elektrisk strøm er en ordnet bevegelse av ladninger, er effekten av et magnetfelt på en strømførende leder resultatet av dens virkning på individuelle bevegelige ladninger.

Hovedanvendelsen av Lorentz-kraften er i elektriske maskiner (generatorer og motorer).

Kraften som virker på en strømførende leder i et magnetfelt er lik vektorsummen av Lorentz-kreftene som virker på hver ladningsbærer. Denne kraften kalles Amperes kraft, dvs.Amperekraft er lik summen av alle Lorentz-krefter som virker på en strømførende leder. Se: Amperes lov

Galvanomagnetiske effekter

Ulike konsekvenser av virkningen av Lorentz-krefter, forårsaker et avvik i banen til negativt ladede partikler - elektroner, mens de beveger seg gjennom faste stoffer, kalles galvanomagnetiske effekter.

Når en elektrisk strøm flyter i en solid ledning plassert i et magnetfelt, avbøyes elektronene som bærer den strømmen i en retning vinkelrett på både strømretningen og magnetfeltets retning. Jo raskere elektronene beveger seg, jo mer avbøyes de.

Som et resultat av avbøyningen av elektronene etableres gradienter av elektrisk potensial i retninger vinkelrett på strømmens retning. På grunn av det faktum at de raskere bevegelige elektronene avbøyes mer enn de langsommere, oppstår termiske gradienter, også vinkelrett på strømmens retning.

Således inkluderer galvanomagnetiske effekter elektriske og termiske fenomener.

Gitt at elektroner kan bevege seg under påvirkning av å tvinge elektriske, termiske og kjemiske felt, klassifiseres galvanomagnetiske effekter både etter typen tvingende felt og av arten av de resulterende fenomenene - termisk eller elektrisk.

Begrepet "galvanomagnetisk" refererer bare til visse fenomener observert i faste stoffer, der den eneste typen partikler som er i stand til å bevege seg i en nevneverdig mengde er elektroner, som fungerer enten som "frie midler" eller som midler for dannelse av såkalte hull.Derfor klassifiseres galvanomagnetiske fenomener også avhengig av hvilken type bærer som er involvert i dem - frie elektroner eller hull.

En av manifestasjonene av varmeenergi er den kontinuerlige bevegelsen av en del av elektronene til ethvert fast stoff langs tilfeldig rettede baner og med tilfeldige hastigheter. Hvis disse bevegelsene har helt tilfeldige egenskaper, er summen av alle de individuelle bevegelsene til elektronene null, og det er umulig å oppdage noen konsekvenser av avvikene til individuelle partikler under påvirkning av Lorentz-krefter.

Hvis det er en elektrisk strøm, bæres den av et visst antall ladede partikler eller bærere som beveger seg i samme eller samme retning.

I faste stoffer oppstår den elektriske strømmen som et resultat av superposisjonering av en generell ensrettet bevegelse på den opprinnelige tilfeldige bevegelsen til elektroner. I dette tilfellet er elektronaktiviteten dels en tilfeldig respons på effekten av termisk energi og dels en ensrettet respons på effekten som genererer en elektrisk strøm.

En stråle av elektroner som beveger seg i en sirkulær bane i et konstant magnetfelt. Det lilla lyset som viser banen til et elektron i dette røret er skapt ved kollisjon av elektroner med gassmolekyler.

Selv om enhver bevegelse av elektroner reagerer på virkningen av Lorentz-krefter, reflekteres bare de bevegelsene som bidrar til overføring av strøm i galvanomagnetiske fenomener.

Så galvanomagnetiske fenomener er en av konsekvensene av å plassere et fast legeme i et magnetfelt og legge til ensrettet bevegelse til elektronenes bevegelse, som under de opprinnelige betingelsene var tilfeldig i naturen. Et av resultatene av denne kombinasjonen av forhold er utseende av populasjonsgradienter av bærerpartiklene i en retning vinkelrett på deres ensrettede bevegelse.

Lorentz-styrker har en tendens til å flytte alle bærere til den ene siden av ledningen. Siden bærerne er ladede partikler, skaper slike gradienter av deres populasjon også gradienter av elektrisk potensial som balanserer Lorentz-kreftene og selv kan eksitere en elektrisk strøm.

I nærvær av en slik strøm etableres en tre-komponent likevekt mellom Lorentz-krefter, galvanomagnetiske spenninger og resistive spenninger.

Den tilfeldige bevegelsen av elektroner støttes av termisk energi, som bestemmes av temperaturen til et stoff. Energien som trengs for å holde partiklene i bevegelse i én retning, må komme fra en annen kilde. Dette siste kan ikke dannes inne i selve stoffet, hvis det er i likevektstilstand må energien komme fra miljøet.

Således er galvanomagnetisk konvertering relatert til elektriske fenomener som er en konsekvens av utseendet til bærerpopulasjonsgradienter; slike gradienter etableres i faste stoffer når de plasseres i et magnetisk felt og utsettes for ulike påvirkninger fra det ytre miljøet, noe som forårsaker en generell ensrettet bevegelse av bærere hvis bevegelse i startforholdene er tilfeldig.

Klassifisering av galvanomagnetiske effekter

Seks viktigste galvanomagnetiske effekter er kjent:

1.Hall-effekter – utseendet av gradienter av det elektriske potensialet som et resultat av avviket til bærerne under deres bevegelse under påvirkning av det påtvingende elektriske feltet. I dette tilfellet beveger hull og elektroner seg samtidig eller individuelt i motsatte retninger og avviker derfor i samme retning.

Se - Hallsensorapplikasjoner

2. Nersteffekter – utseendet av elektriske potensialgradienter som et resultat av avbøyningen av bærerne under deres bevegelse under påvirkning av et tvunget termisk felt, mens hullene og elektronene samtidig eller separat beveger seg i samme retning og derfor avviker i motsatte retninger.

3. Fotoelektromagnetiske og mekanoelektromagnetiske effekter — utseendet av gradienter av det elektriske potensialet som et resultat av avviket til bærerne under deres bevegelse under påvirkning av det påtvingende kjemiske feltet (gradienter av populasjonen av partikler). I dette tilfellet beveger hullene og elektronene dannet i par seg sammen i samme retning og avviker derfor i motsatte retninger.

4. Effektene av Ettingshausen og Riga — Leduc — utseendet av termiske gradienter som følge av bæreravbøyning, når varme bærere avbøyes i større grad enn kalde. Hvis de termiske gradientene oppstår i forbindelse med Hall-effektene, kalles dette fenomenet Ettingshausen-effekten, hvis de oppstår i forbindelse med Nernst-effekten, kalles fenomenet Rigi-Leduc-effekten.

5. Økning i elektrisk motstand som følge av avbøyning av bærere under deres bevegelse under påvirkning av et drivende elektrisk felt. Her er det samtidig en reduksjon i det effektive tverrsnittsarealet til lederen på grunn av forskyvningen av bærerne til den ene siden av den og en reduksjon i avstanden tilbakelagt av bærerne i retning av strøm på grunn av forlengelsen av banen deres på grunn av å bevege seg langs en buet bane i stedet for en rett.

6. Økning i termisk motstand som følge av endrede forhold tilsvarende de ovenfor.

Halleffektsensor

De viktigste kombinerte effektene oppstår i to tilfeller:

• når det skapes forhold for strømmen av elektrisk strøm under påvirkning av potensielle gradienter som følge av ovennevnte fenomener;
• når det skapes betingelser for dannelse av en varmestrøm under påvirkning av termiske gradienter som følge av ovennevnte fenomener.

I tillegg er det kjent kombinerte effekter, hvor en av de galvanomagnetiske effektene kombineres med en eller flere ikke-galvanomagnetiske effekter.

1. Termiske effekter:

• transportørens mobilitet endres på grunn av temperaturendringer;
• elektron- og hullmobiliteter endres i varierende grad avhengig av temperatur;
• bærerpopulasjonen endres på grunn av temperaturendringer;
• elektron- og hullpopulasjonene endres i varierende grad på grunn av endringer i temperaturen.

2. Effekter av anisotropi. De anisotrope egenskapene til krystallinske stoffer endrer resultatene av fenomenet som vil bli observert med isotrope egenskaper.

3. Termoelektriske effekter:

• termiske gradienter på grunn av separasjonen av varme og kalde medier genererer termoelektriske effekter;
• termoelektriske effekter forsterkes som et resultat av carrier bias, det kjemiske potensialet per volumenhet av stoffet endres på grunn av en endring i bærerpopulasjonen (Nerst-effekter).

4. Ferromagnetiske effekter. Bærermobilitet i ferromagnetiske stoffer avhenger av magnetfeltets absolutte styrke og retning (som i Gauss-effekten).

5. Påvirkning av dimensjoner. Hvis kroppen har store dimensjoner sammenlignet med elektronbanene, så har egenskapene til stoffet i hele kroppens volum en overveiende effekt på elektronaktiviteten. Hvis kroppens dimensjoner er små sammenlignet med elektronbanene, kan overflateeffekter dominere.

6. Påvirkning av sterke felt. Galvanomagnetiske fenomener avhenger av hvor lenge bærerne reiser langs deres syklotronbane. I sterke magnetiske felt kan bærerne reise et betydelig stykke langs denne banen. Det totale antallet forskjellige mulige galvanomagnetiske effekter er mer enn to hundre, men faktisk kan hver av dem oppnås ved å kombinere fenomenene som er oppført ovenfor.

Se også: Elektrisitet og magnetisme, grunnleggende definisjoner, typer bevegelige ladede partikler