Силата на Лорънс и галваномагнитните ефекти

Сили, приложени към движещи се заредени частици

Ако електрически заредена частица се движи в околно магнитно поле, тогава вътрешното магнитно поле на тази движеща се частица и околното поле взаимодействат, генерирайки сила, приложена към частицата. Тази сила има тенденция да променя посоката на движение на частицата. Единична движеща се частица с електрически заряд предизвиква появата магнитно поле Bio-Savara.

Въпреки че полето Bio-Savart, строго погледнато, се генерира само от безкрайно дълга жица, в която се движат множество заредени частици, напречното сечение на магнитното поле около траекторията на отделна частица, преминаваща през тази частица, има същата кръгова конфигурация.

Полето Bio-Savart обаче е постоянно както в пространството, така и във времето, а полето на отделна частица, измерено в дадена точка от пространството, се променя, когато частицата се движи.

Законът на Лоренц определя силата, действаща върху движеща се електрически заредена частица в магнитно поле:

F=kQB (dx/dt),

където В — електрическия заряд на частицата; B е индукцията на външното магнитно поле, в което частицата се движи; dx/dt — скорост на частиците; F — получената сила върху частицата; к — константа на пропорционалност.

Магнитното поле, обграждащо траекторията на електрона, е насочено по посока на часовниковата стрелка, когато се гледа от зоната, към която електронът се приближава. При условията на движение на електрона, неговото магнитно поле е насочено срещу външното поле, като го отслабва в долната част на показаната област и съвпада с външното поле, засилвайки го в горната част.

И двата фактора водят до сила надолу, приложена към електрона. По права линия, съвпадаща с посоката на външното поле, магнитното поле на електрона е насочено под прав ъгъл спрямо външното поле. При такава взаимно перпендикулярна посока на полетата тяхното взаимодействие не генерира никакви сили.

Накратко казано, ако отрицателно заредена частица се движи отляво надясно в равнина и външното магнитно поле е насочено от наблюдателя в дълбочината на схемата, тогава приложената към частицата сила на Лоренц е насочена отгоре надолу.

Сили, действащи върху отрицателно заредена частица, чиято траектория е насочена перпендикулярно на вектора на силата на външното магнитно поле

Силите на Лорънс

Тел, движещ се в пространството, пресича силовите линии на съществуващото в това пространство магнитно поле, в резултат на което определено механично принуждаващо поле действа върху електроните вътре в проводника.

Движението на електроните през магнитно поле се случва заедно с жицата. Това движение може да бъде ограничено поради действието на всякакви сили, които възпрепятстват движението на проводника; обаче, по посока на движението на проводника, електроните не се влияят от електрическо съпротивление.

Между двата края на такъв проводник се генерира напрежение на Лоренц, което е пропорционално на скоростта на движение и магнитната индукция. Силите на Лоренц преместват електрони по проводника в една посока, в резултат на което в единия край на проводника се натрупват повече електрони, отколкото в другия.

Напрежението, генерирано от това разделяне на зарядите, има тенденция да върне електроните към равномерно разпределение и в крайна сметка се установява равновесие, като същевременно се поддържа определено напрежение, пропорционално на скоростта на проводника. Ако създадете условия, при които в проводника може да тече ток, тогава във веригата ще бъде установено напрежение, което е противоположно на първоначалното напрежение на Лоренц.

Снимката показва експериментална настройка за демонстриране на силата на Лоренц. Ляво изображение: как изглежда вдясно: Лоренц силов ефект. Електрон лети от десния край наляво.Магнитната сила пресича траекторията на полета и отклонява електронния лъч надолу.

Тъй като електрическият ток е подредено движение на заряди, ефектът на магнитното поле върху проводник с ток е резултат от неговото действие върху отделни движещи се заряди.

Основното приложение на силата на Лоренц е в електрически машини (генератори и двигатели).

Силата, действаща върху проводник с ток в магнитно поле, е равна на векторната сума на силите на Лоренц, действащи върху всеки носител на заряд. Тази сила се нарича сила на Ампера, т.е. Силата на Ампер е равна на сумата от всички сили на Лоренц, действащи върху проводник с ток. Вижте: Законът на Ампер

Галваномагнитни ефекти

Различни последици от действието на силите на Лоренц, причиняващи отклонение на траекторията на отрицателно заредени частици — електрони, докато се движат през твърди тела, се наричат ​​галваномагнитни ефекти.

Когато електрически ток тече в твърд проводник, поставен в магнитно поле, електроните, носещи този ток, се отклоняват в посока, перпендикулярна както на посоката на тока, така и на посоката на магнитното поле. Колкото по -бързо се движат електроните, толкова повече се отклоняват.

В резултат на отклонението на електроните се установяват градиенти на електрически потенциал в посоки, перпендикулярни на посоката на тока. Поради факта, че по -бързо движещите се електрони се отклоняват повече от бавно движещите се, възникват топлинни градиенти, също перпендикулярни на посоката на тока.

По този начин галваномагнитните ефекти включват електрически и топлинни явления.

Като се има предвид, че електроните могат да се движат под въздействието на форсиращи електрически, термични и химични полета, галваномагнитните ефекти се класифицират както по типа на форсиращото поле, така и по естеството на получените явления — топлинни или електрически.

Терминът «галваномагнетик» се отнася само за някои явления, наблюдавани в твърди тела, където единственият вид частици, способни да се движат във всяко значително количество, са електрони, функциониращи или като «свободни агенти», или като агенти за образуването на така наречените дупки. Следователно галваномагнитните явления също се класифицират в зависимост от вида на носителя, участващ в тях — свободни електрони или дупки.

Едно от проявленията на топлинна енергия е непрекъснатото движение на част от електроните на всяко твърдо вещество по произволно насочени траектории и на произволни скорости. Ако тези движения имат напълно случайни характеристики, тогава сумата от всички отделни движения на електроните е нула и е невъзможно да се открият каквито и да е последствия от отклоненията на отделните частици под въздействието на силите на Лоренц.

Ако има електрически ток, той се носи от определен брой заредени частици или носители, движещи се в същата или същата посока.

В твърдите тела електрическият ток възниква в резултат на суперпозицията на някакво общо еднопосочно движение върху първоначалното произволно движение на електрони. В този случай активността на електроните е отчасти случайна реакция на ефекта на топлинната енергия и отчасти еднопосочна реакция на ефекта, който генерира електрически ток.

Сноп от електрони, движещи се по кръгова орбита в постоянно магнитно поле. Лилавата светлина, показваща пътя на електрон в тази тръба, се създава от сблъскване на електрони с газови молекули.

Въпреки че всяко движение на електрони реагира на действието на силите на Лоренц, само тези движения, които допринасят за преноса на ток, се отразяват в галваномагнитни явления.

И така, галваномагнитните явления са едно от последствията от поставянето на твърдо тяло в магнитно поле и добавяне на еднопосочно движение към движението на неговите електрони, което при първоначалните условия имаше случаен характер.Един от резултатите от тази комбинация от условия е появата на градиенти на населението на частиците носители в посока, перпендикулярна на тяхното еднопосочно движение.

Силите на Лоренц са склонни да преместват всички носители от едната страна на проводника. Тъй като носителите са заредени частици, такива градиенти на тяхното население също създават градиенти на електрически потенциал, които балансират силите на Лоренц и сами могат да възбуждат електрически ток.

При наличието на такъв ток се установява трикомпонентно равновесие между силите на Лоренц, галваномагнитните напрежения и резистивните напрежения.

Случайното движение на електрони се поддържа от топлинна енергия, която се определя от температурата на дадено вещество. Енергията, необходима за поддържане на еднопосочното движение на частиците, трябва да идва от друг източник. Това последното не може да се образува вътре в самото вещество, ако то е в равновесно състояние, енергията трябва да идва от околната среда.

По този начин галваномагнитното преобразуване е свързано с електрически явления, които са следствие от появата на градиенти на населението на носителите; такива градиенти се установяват в твърди тела, когато са поставени в магнитно поле и са подложени на различни влияния от външната среда, причинявайки общо еднопосочно движение на носители, чието движение в началните условия е произволно.

Класификация на галваномагнитните ефекти

Известни са шест основни галваномагнитни ефекта:

1. Ефекти на Хол — появата на градиенти на електрическия потенциал в резултат на отклонението на носителите по време на тяхното движение под въздействието на форсиращото електрическо поле. В този случай дупките и електроните едновременно или поотделно се движат в противоположни посоки и следователно се отклоняват в същата посока.

Вижте — Приложения за сензори на Хол

2. Ефекти на Nerst — появата на градиенти на електрически потенциал в резултат на отклонението на носителите по време на тяхното движение под въздействието на принудителноNSтермично поле, докато дупките и електроните едновременно или отделно се движат в една и съща посока и следователно се отклоняват в противоположни посоки.

3. Фотоелектромагнитни и механоелектромагнитни ефекти — появата на градиенти на електрическия потенциал в резултат на отклонението на носителите по време на тяхното движение под въздействието на форсиращото химическо поле (градиенти на популацията на частици). В този случай дупките и електроните, образувани по двойки, се движат заедно в една и съща посока и следователно се отклоняват в противоположни посоки.

4. Ефектите на Етингсхаузен и Рига — Ледук — появата на топлинни градиенти в резултат на отклонението на носителите, когато горещите носители се отклоняват в по -голяма степен от студените. Ако топлинните градиенти възникнат във връзка с ефектите на Хол, тогава това явление се нарича ефект на Етингсхаузен, ако възникнат във връзка с ефекта на Нернст, тогава явлението се нарича ефект на Риги — Ледук.

5. Увеличение на електрическото съпротивление в резултат на отклонение на носителите по време на тяхното движение под въздействието на задвижващо електрическо поле. Тук в същото време се наблюдава намаляване на ефективната площ на напречното сечение на проводника поради изместването на носачите от едната му страна и намаляване на разстоянието, изминато от носителите в посока на ток, поради удължаването на пътя им поради движение по извита траектория вместо по праволинейна.

6. Увеличаване на термичното съпротивление в резултат на промяна на условията, подобни на горните.

Сензор за ефект на Хол

Основните комбинирани ефекти се проявяват в два случая:

• когато се създават условия за протичане на електрически ток под въздействието на потенциални градиенти, произтичащи от горните явления;
• когато се създават условия за образуване на топлинен поток под въздействието на топлинни градиенти, произтичащи от горните явления.

Освен това са известни комбинирани ефекти, при които един от галваномагнитните ефекти се комбинира с един или повече неалваномагнитни ефекти.

1. Топлинни ефекти:

• промени в мобилността на носителя поради температурни промени;
• подвижността на електроните и дупките се променят в различна степен в зависимост от температурата;
• популацията на носители се променя поради температурни промени;
• популациите на електрони и дупки се променят в различна степен поради промени в температурата.

2. Ефекти от анизотропията. Анизотропните характеристики на кристалните вещества променят резултатите от явлението, което би било наблюдавано при изотропни характеристики.

3. Термоелектрически ефекти:

• топлинните градиенти, дължащи се на разделянето на топли и студени носители, генерират термоелектрически ефекти;
• термоелектрическите ефекти се засилват в резултат на отклонение на носителя, химическият потенциал на единица обем на веществото се променя поради промяна в популацията на носители (ефекти на Nerst).

4. Феромагнитни ефекти. Подвижността на носителите във феромагнитни вещества зависи от абсолютната сила и посока на магнитното поле (както при Гаусовия ефект).

5. Влияние на размерите. Ако тялото има големи размери в сравнение с електронните траектории, тогава характеристиките на веществото в целия обем на тялото имат преобладаващ ефект върху активността на електроните. Ако размерите на тялото са малки в сравнение с електронните траектории, тогава повърхностните ефекти могат да преобладават.

6. Влиянието на силни полета. Галваномагнитните явления зависят от това колко дълго носачите пътуват по своята циклотронна траектория. При силни магнитни полета носителите могат да изминат значително разстояние по този път. Общият брой на различните възможни галваномагнитни ефекти е повече от двеста, но всъщност всеки от тях може да бъде получен чрез комбиниране на изброените по -горе явления.

Вижте също: Електричество и магнетизъм, основни определения, видове движещи се заредени частици