Lawrence kraft og galvanomagnetiske effekter

Kræfter påført ladede partikler i bevægelse

Hvis en elektrisk ladet partikel bevæger sig i et omgivende magnetfelt, så interagerer det indre magnetfelt af den bevægende partikel og det omgivende felt, hvilket genererer en kraft, der påføres partiklen. Denne kraft har en tendens til at ændre partiklens bevægelsesretning. En enkelt bevægelig partikel med en elektrisk ladning forårsager udseendet Bio-Savara magnetfelt.

Selvom Bio-Savart-feltet strengt taget kun genereres af en uendelig lang ledning, hvori mange ladede partikler bevæger sig, har tværsnittet af magnetfeltet rundt om banen for en individuel partikel, der passerer gennem den partikel, den samme cirkulære konfiguration.

Bio-Savart-feltet er dog konstant i både rum og tid, og feltet for en individuel partikel målt på et givet punkt i rummet ændrer sig, efterhånden som partiklen bevæger sig.

Lorentz' lov definerer kraften, der virker på en elektrisk ladet partikel i bevægelse i et magnetfelt:

F=kQB (dx/dt),

hvor B — den elektriske ladning af partiklen; B er induktionen af ​​det ydre magnetfelt, hvori partiklen bevæger sig; dx/dt — partiklernes hastighed; F — den resulterende kraft på partiklen; k — proportionalitetskonstant.

Det magnetiske felt, der omgiver elektronens bane, er rettet med uret, når det ses fra det område, hvor elektronen nærmer sig. Under betingelserne for elektronens bevægelse er dens magnetiske felt rettet mod det ydre felt, hvilket svækker det i den nederste del af det viste område, og falder sammen med det ydre felt, hvilket styrker det i den øvre del.

Begge faktorer resulterer i en nedadgående kraft påført elektronen. Langs en ret linje, der falder sammen med retningen af ​​det ydre felt, er elektronens magnetfelt rettet vinkelret på det ydre felt. Med en sådan indbyrdes vinkelret retning af felterne genererer deres interaktion ingen kræfter.

Kort sagt, hvis en negativt ladet partikel bevæger sig fra venstre mod højre i et plan, og det ydre magnetfelt rettes af observatøren i dybden af ​​skemaet, så ledes Lorentz-kraften på partiklen fra top til bund.

Kræfter, der virker på en negativt ladet partikel, hvis bane er rettet vinkelret på kraftvektoren for det eksterne magnetfelt

Lawrences kræfter

En ledning, der bevæger sig i rummet, krydser kraftlinjerne i det magnetiske felt, der eksisterer i dette rum, som et resultat af hvilket et bestemt mekanisk tvangsfelt virker på elektronerne inde i ledningen.

Bevægelsen af ​​elektroner gennem et magnetfelt sker sammen med ledningen.Denne bevægelse kan begrænses ved påvirkning af enhver kraft, som hindrer lederens bevægelse; i trådens bevægelsesretning påvirkes elektronerne dog ikke af elektrisk modstand.

Mellem de to ender af en sådan ledning genereres en Lorentz-spænding, som er proportional med bevægelseshastigheden og den magnetiske induktion. Lorentz-kræfter flytter elektroner langs ledningen i én retning, hvilket resulterer i, at flere elektroner akkumuleres i den ene ende af ledningen end i den anden.

Spændingen, der genereres af denne adskillelse af ladninger, har en tendens til at bringe elektronerne tilbage til en ensartet fordeling, og til sidst etableres ligevægt, mens en vis spænding opretholdes, der er proportional med ledningens hastighed. Hvis man skaber forhold, hvor der kan gå strøm i ledningen, så vil der blive etableret en spænding i kredsløbet, der er modsat den oprindelige Lorentz-spænding.

Billedet viser en eksperimentel opsætning til at demonstrere Lorentz-kraften. Venstre billede: hvordan det ser ud Højre: Lorentz krafteffekt. En elektron flyver fra højre ende til venstre. Den magnetiske kraft krydser flyvebanen og afbøjer elektronstrålen nedad.

Da en elektrisk strøm er en ordnet bevægelse af ladninger, er effekten af ​​et magnetfelt på en strømførende leder resultatet af dens virkning på individuelle bevægelige ladninger.

Den vigtigste anvendelse af Lorentz-kraften er i elektriske maskiner (generatorer og motorer).

Kraften, der virker på en strømførende leder i et magnetfelt, er lig med vektorsummen af ​​Lorentz-kræfterne, der virker på hver ladningsbærer. Denne kraft kaldes Amperes kraft, dvs.Amperekraft er lig med summen af ​​alle Lorentz-kræfter, der virker på en strømførende leder. Se: Amperes lov

Galvanomagnetiske effekter

Forskellige konsekvenser af virkningen af ​​Lorentz-kræfter, der forårsager en afvigelse af negativt ladede partiklers bane - elektroner, mens de bevæger sig gennem faste stoffer, kaldes galvanomagnetiske effekter.

Når en elektrisk strøm flyder i en massiv ledning placeret i et magnetfelt, afbøjes elektronerne, der bærer denne strøm, i en retning vinkelret på både strømmens retning og magnetfeltets retning. Jo hurtigere elektronerne bevæger sig, jo mere afbøjes de.

Som et resultat af elektronernes afbøjning etableres gradienter af elektrisk potentiale i retninger vinkelret på strømmens retning. På grund af det faktum, at de hurtigere bevægende elektroner afbøjes mere end de langsommere bevægende, opstår der termiske gradienter, også vinkelret på strømmens retning.

Således omfatter galvanomagnetiske effekter elektriske og termiske fænomener.

I betragtning af at elektroner kan bevæge sig under påvirkning af at tvinge elektriske, termiske og kemiske felter, klassificeres galvanomagnetiske effekter både efter typen af ​​tvingende felt og efter arten af ​​de resulterende fænomener - termiske eller elektriske.

Udtrykket "galvanomagnetisk" refererer kun til visse fænomener observeret i faste stoffer, hvor den eneste slags partikler, der er i stand til at bevæge sig i nogen nævneværdig mængde, er elektroner, der fungerer enten som "frie midler" eller som midler til dannelse af såkaldte huller.Derfor klassificeres galvanomagnetiske fænomener også afhængigt af typen af ​​bærer involveret i dem - frie elektroner eller huller.

En af manifestationerne af varmeenergi er den kontinuerlige bevægelse af en del af elektronerne i ethvert fast stof langs tilfældigt rettede baner og ved tilfældige hastigheder. Hvis disse bevægelser har helt tilfældige karakteristika, så er summen af ​​alle elektronernes individuelle bevægelser nul, og det er umuligt at opdage nogen konsekvenser af individuelle partiklers afvigelser under indflydelse af Lorentz-kræfter.

Hvis der er en elektrisk strøm, bæres den af ​​et vist antal ladede partikler eller bærere, der bevæger sig i samme eller samme retning.

I faste stoffer opstår den elektriske strøm som et resultat af overlejringen af ​​en generel ensrettet bevægelse på den oprindelige tilfældige bevægelse af elektroner. I dette tilfælde er elektronaktiviteten dels en tilfældig reaktion på virkningen af ​​termisk energi og dels en ensrettet reaktion på den effekt, der genererer en elektrisk strøm.

En stråle af elektroner, der bevæger sig i en cirkulær bane i et konstant magnetfelt. Det lilla lys, der viser en elektrons vej i dette rør, er skabt ved sammenstød mellem elektroner og gasmolekyler.

Selvom enhver bevægelse af elektroner reagerer på virkningen af ​​Lorentz-kræfter, reflekteres kun de bevægelser, der bidrager til overførsel af strøm, i galvanomagnetiske fænomener.

Så galvanomagnetiske fænomener er en af ​​konsekvenserne af at placere et fast legeme i et magnetfelt og tilføje ensrettet bevægelse til bevægelsen af ​​dets elektroner, som under de oprindelige betingelser var tilfældig af natur. Et af resultaterne af denne kombination af betingelser er fremkomsten af ​​populationsgradienter af bærerpartiklerne i en retning vinkelret på deres ensrettede bevægelse.

Lorentz-styrker har en tendens til at flytte alle bærere til den ene side af wiren. Da bærerne er ladede partikler, skaber sådanne gradienter af deres befolkning også gradienter af elektrisk potentiale, der balancerer Lorentz-kræfterne og selv kan excitere en elektrisk strøm.

I nærvær af en sådan strøm etableres en tre-komponent ligevægt mellem Lorentz-kræfter, galvanomagnetiske spændinger og resistive spændinger.

Den tilfældige bevægelse af elektroner understøttes af termisk energi, som bestemmes af et stofs temperatur. Den energi, der skal til for at holde partiklerne i bevægelse i én retning, skal komme fra en anden kilde. Dette sidste kan ikke dannes inde i selve stoffet, hvis det er i ligevægtstilstand, skal energien komme fra miljøet.

Således er galvanomagnetisk omdannelse relateret til elektriske fænomener, der er en konsekvens af fremkomsten af ​​bærerpopulationsgradienter; sådanne gradienter etableres i faste stoffer, når de placeres i et magnetisk felt og udsættes for forskellige påvirkninger fra det ydre miljø, hvilket forårsager en generel ensrettet bevægelse af bærere, hvis bevægelse i startbetingelserne er tilfældig.

Klassificering af galvanomagnetiske effekter

Seks vigtigste galvanomagnetiske effekter er kendt:

1.Hall effekter — fremkomsten af ​​gradienter af det elektriske potentiale som følge af afvigelsen af ​​bærerne under deres bevægelse under påvirkning af det påtvingende elektriske felt. I dette tilfælde bevæger huller og elektroner sig samtidigt eller individuelt i modsatte retninger og afviger derfor i samme retning.

Se - Hall sensor applikationer

2. Nerst-effekter — fremkomsten af ​​elektriske potentialegradienter som følge af afbøjningen af ​​bærerne under deres bevægelse under påvirkning af et tvunget termisk felt, mens hullerne og elektronerne samtidigt eller hver for sig bevæger sig i samme retning og derfor afviger i modsatte retninger.

3. Fotoelektromagnetiske og mekanoelektromagnetiske effekter — fremkomsten af ​​gradienter af det elektriske potentiale som følge af afvigelsen af ​​bærerne under deres bevægelse under påvirkning af det påtvingende kemiske felt (gradienter af populationen af ​​partikler). I dette tilfælde bevæger hullerne og elektronerne, der er dannet i par, sig sammen i samme retning og afviger derfor i modsatte retninger.

4. Virkningerne af Ettingshausen og Riga — Leduc — forekomsten af ​​termiske gradienter som følge af afbøjning af bæreren, når varme bærere afbøjes i højere grad end kolde. Hvis de termiske gradienter opstår i forbindelse med Hall-effekterne, så kaldes dette fænomen Ettingshausen-effekten, hvis de opstår i forbindelse med Nernst-effekten, så kaldes fænomenet Rigi-Leduc-effekten.

5. Forøgelse i elektrisk modstand som følge af afbøjning af bærere under deres bevægelse under påvirkning af et drivende elektrisk felt. Her er der samtidig et fald i lederens effektive tværsnitsareal på grund af forskydningen af ​​bærerne til den ene side af den og et fald i den afstand, som bærerne tilbagelægger i retning af strøm på grund af forlængelsen af ​​deres bane på grund af at bevæge sig langs en buet bane i stedet for en lige.

6. Forøgelse af termisk modstand som følge af ændrede forhold svarende til ovenstående.

Hall effekt sensor

De vigtigste kombinerede virkninger forekommer i to tilfælde:

• når der skabes betingelser for strømmen af ​​elektrisk strøm under påvirkning af potentialegradienter som følge af ovennævnte fænomener;
• når der skabes betingelser for dannelsen af ​​en varmestrøm under påvirkning af termiske gradienter som følge af ovenstående fænomener.

Derudover kendes kombinerede effekter, hvor en af ​​de galvanomagnetiske effekter kombineres med en eller flere ikke-galvanomagnetiske effekter.

1. Termiske effekter:

• transportørmobilitetsændringer på grund af temperaturændringer;
• elektron- og hulmobiliteter ændrer sig i varierende grad afhængigt af temperatur;
• transportørpopulation ændringer på grund af temperaturændringer;
• elektron- og hulpopulationerne ændrer sig i varierende grad på grund af ændringer i temperaturen.

2. Virkninger af anisotropi. De anisotrope egenskaber af krystallinske stoffer ændrer resultaterne af det fænomen, der ville blive observeret med isotrope karakteristika.

3. Termoelektriske effekter:

• termiske gradienter på grund af adskillelsen af ​​varme og kolde medier genererer termoelektriske effekter;
• termoelektriske effekter forstærkes som følge af carrier bias, det kemiske potentiale pr. volumenenhed af stoffet ændres på grund af en ændring i bærerpopulationen (Nerst-effekter).

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

5. Indflydelse af dimensioner. Hvis kroppen har store dimensioner i forhold til elektronbanerne, så har stoffets egenskaber i hele kroppens volumen en overvejende effekt på elektronaktiviteten. Hvis kroppens dimensioner er små sammenlignet med elektronbanerne, kan overfladeeffekter dominere.

6. Påvirkning af stærke felter. Galvanomagnetiske fænomener afhænger af, hvor længe bærerne rejser langs deres cyklotronbane. I stærke magnetiske felter kan bærerne rejse en betydelig afstand ad denne vej. Det samlede antal forskellige mulige galvanomagnetiske effekter er mere end to hundrede, men faktisk kan hver af dem opnås ved at kombinere fænomenerne ovenfor.

Se også: Elektricitet og magnetisme, grundlæggende definitioner, typer af bevægelige ladede partikler