Lorenso jėga ir galvanomagnetiniai efektai

Jėgos, taikomos judančioms įkrautoms dalelėms

Jei elektra įkrauta dalelė juda aplinkiniame magnetiniame lauke, tada tos judančios dalelės vidinis magnetinis laukas ir aplinkinis laukas sąveikauja, sukurdami dalelei taikomą jėgą. Ši jėga linkusi keisti dalelės judėjimo kryptį. Išvaizdą sukelia viena judanti dalelė su elektros krūviu Bio-Savara magnetinis laukas.

Nors Bio-Savart laukas, griežtai kalbant, yra sukurtas tik be galo ilgio laido, kuriame juda daug įkrautų dalelių, magnetinio lauko skerspjūvis aplink atskiros dalelės, einančios per tą dalelę, trajektoriją, turi tokią pačią apskritimo konfigūraciją.

Tačiau Bio-Savart laukas yra pastovus tiek erdvėje, tiek laike, o atskiros dalelės laukas, išmatuotas tam tikrame erdvės taške, keičiasi dalelei judant.

Lorenco dėsnis apibrėžia jėgą, veikiančią judančią elektriškai įkrautą dalelę magnetiniame lauke:

F=kQB (dx/dt),

kur B – dalelės elektros krūvis; B – išorinio magnetinio lauko, kuriame dalelė juda, indukcija; dx/dt — dalelių greitis; F — atsirandanti jėga, veikianti dalelę; k — proporcingumo konstanta.

Magnetinis laukas, supantis elektrono trajektoriją, yra nukreiptas pagal laikrodžio rodyklę, kai žiūrima iš srities, kurioje artėja elektronas. Elektrono judėjimo sąlygomis jo magnetinis laukas yra nukreiptas prieš išorinį lauką, susilpnindamas jį apatinėje parodytos srities dalyje, o sutampa su išoriniu lauku, sustiprindamas jį viršutinėje dalyje.

Abu veiksniai lemia elektronui taikomą jėgą žemyn. Išilgai tiesės, kuri sutampa su išorinio lauko kryptimi, elektrono magnetinis laukas nukreipiamas stačiu kampu į išorinį lauką. Esant tokiai viena kitai statmenai laukų krypčiai, jų sąveika nesukuria jokių jėgų.

Trumpai tariant, jei neigiamo krūvio dalelė plokštumoje juda iš kairės į dešinę ir išorinį magnetinį lauką stebėtojas nukreipia į schemos gylį, tai dalelei veikiama Lorenco jėga nukreipta iš viršaus į apačią.

Jėgos, veikiančios neigiamai įkrautą dalelę, kurios trajektorija nukreipta statmenai išorinio magnetinio lauko jėgos vektoriui

Lawrence'o galios

Erdvėje judantis laidas kerta šioje erdvėje egzistuojančio magnetinio lauko jėgos linijas, dėl ko tam tikras mechaninis priverstinis laukas veikia laido viduje esančius elektronus.

Elektronų judėjimas per magnetinį lauką vyksta kartu su viela.Šį judėjimą gali apriboti bet kokios jėgos, trukdančios laidininko judėjimui; tačiau laido judėjimo kryptimi elektronų neveikia elektrinė varža.

Tarp dviejų tokio laido galų susidaro Lorenco įtampa, kuri yra proporcinga judėjimo greičiui ir magnetinei indukcijai. Lorenco jėgos judina elektronus išilgai vielos viena kryptimi, todėl viename laido gale susikaupia daugiau elektronų nei kitame.

Dėl šio krūvių atskyrimo sukuriama įtampa linkusi grąžinti elektronus į tolygų pasiskirstymą ir galiausiai nusistovi pusiausvyra, išlaikant tam tikrą įtampą, proporcingą laido greičiui. Jei sukursite sąlygas, kuriose srovė gali tekėti laidu, grandinėje bus nustatyta įtampa, priešinga pradinei Lorentzo įtampai.

Nuotraukoje parodyta eksperimentinė sąranka, skirta parodyti Lorentzo jėgą. Kairysis vaizdas: kaip atrodo Dešinėje: Lorentzo jėgos efektas. Elektronas skrenda iš dešiniojo galo į kairę.Magnetinė jėga kerta skrydžio trajektoriją ir nukreipia elektronų pluoštą žemyn.

Kadangi elektros srovė yra tvarkingas krūvių judėjimas, magnetinio lauko poveikis srovę nešančiam laidininkui yra jo veikimo atskiriems judantiems krūviams rezultatas.

Pagrindinis Lorenco jėgos panaudojimas yra elektros mašinose (generatoriuose ir varikliuose).

Jėga, veikianti srovę nešantį laidininką magnetiniame lauke, yra lygi Lorenco jėgų, veikiančių kiekvieną krūvininką, vektorinei sumai. Ši jėga vadinama Ampero jėga, t.y.Ampero jėga yra lygi visų Lorenco jėgų, veikiančių srovę nešantį laidininką, sumai. Žiūrėk: Ampero dėsnis

Galvanomagnetinis poveikis

Įvairios Lorenco jėgų veikimo pasekmės, sukeliančios neigiamo krūvio dalelių trajektorijos nuokrypį – elektronai, judėdami per kietąsias medžiagas, vadinami galvanomagnetiniais efektais.

Kai elektros srovė teka kietu laidu, įdėtu į magnetinį lauką, tą srovę nešantys elektronai nukreipiami kryptimi, statmena tiek srovės krypčiai, tiek magnetinio lauko krypčiai. Kuo greičiau elektronai juda, tuo labiau jie nukrypsta.

Dėl elektronų nukreipimo susidaro elektrinio potencialo gradientai statmenomis srovės krypčiai kryptimis. Dėl to, kad greičiau judantys elektronai yra nukreipiami labiau nei lėčiau judantys, atsiranda terminiai gradientai, taip pat statmeni srovės krypčiai.

Taigi galvanomagnetiniai efektai apima elektrinius ir šiluminius reiškinius.

Atsižvelgiant į tai, kad elektronai gali judėti veikiami priverstinių elektrinių, šiluminių ir cheminių laukų, galvanomagnetiniai efektai klasifikuojami tiek pagal priverstinio lauko tipą, tiek pagal atsirandančių reiškinių pobūdį - terminį ar elektrinį.

Terminas „galvanomagnetinis“ reiškia tik tam tikrus reiškinius, stebimus kietose medžiagose, kur vienintelės dalelės, galinčios judėti bet kokiu pastebimu kiekiu, yra elektronai, veikiantys kaip „laisvieji agentai“ arba kaip vadinamosios skylės formavimo agentai.Todėl galvanomagnetiniai reiškiniai taip pat klasifikuojami pagal juose dalyvaujančio nešiklio tipą - laisvuosius elektronus ar skyles.

Viena iš šilumos energijos apraiškų yra nuolatinis bet kurios kietosios medžiagos dalies elektronų judėjimas atsitiktinai nukreiptomis trajektorijomis ir atsitiktiniu greičiu. Jei šie judesiai turi visiškai atsitiktines charakteristikas, tai visų atskirų elektronų judesių suma lygi nuliui, ir neįmanoma aptikti jokių atskirų dalelių nukrypimų, veikiamų Lorenco jėgų, pasekmių.

Jei yra elektros srovė, ją neša tam tikras skaičius įkrautų dalelių arba nešėjų, judančių ta pačia arba ta pačia kryptimi.

Kietosiose medžiagose elektros srovė atsiranda dėl tam tikro bendro vienakrypčio judėjimo superpozicijos pirminiam atsitiktiniam elektronų judėjimui. Šiuo atveju elektronų aktyvumas iš dalies yra atsitiktinis atsakas į šiluminės energijos poveikį ir iš dalies vienakryptis atsakas į poveikį, kuris generuoja elektros srovę.

Elektronų spindulys, judantis apskrita orbita pastoviame magnetiniame lauke. Violetinė šviesa, rodanti elektrono kelią šiame vamzdyje, sukuriama elektronams susidūrus su dujų molekulėmis.

Nors bet koks elektronų judėjimas reaguoja į Lorenco jėgų veikimą, galvanomagnetiniuose reiškiniuose atsispindi tik tie judesiai, kurie prisideda prie srovės perdavimo.

Taigi galvanomagnetiniai reiškiniai yra viena iš pasekmių, kai kietas kūnas yra patalpintas į magnetinį lauką ir prie jo elektronų judėjimo pridedamas vienakryptis judėjimas, kuris pradinėmis sąlygomis buvo atsitiktinio pobūdžio. Vienas iš šio sąlygų derinio rezultatų yra nešiklio dalelių populiacijos gradientų atsiradimas kryptimi, statmena jų vienakrypčiui judėjimui.

Lorenco jėgos linkusios perkelti visus nešiklius į vieną laido pusę. Kadangi nešikliai yra įkrautos dalelės, tokie jų populiacijos gradientai taip pat sukuria elektrinio potencialo gradientus, kurie subalansuoja Lorenco jėgas ir patys gali sužadinti elektros srovę.

Esant tokiai srovei, susidaro trijų komponentų pusiausvyra tarp Lorenco jėgų, galvanomagnetinių įtampų ir varžinių įtampų.

Atsitiktinį elektronų judėjimą palaiko šiluminė energija, kurią lemia medžiagos temperatūra. Energija, reikalinga dalelėms judėti viena kryptimi, turi būti gaunama iš kito šaltinio. Pastaroji negali susidaryti pačios medžiagos viduje, jei ji yra pusiausvyros būsenoje, energija turi būti iš aplinkos.

Taigi galvanomagnetinė konversija yra susijusi su elektros reiškiniais, kurie yra nešėjų populiacijos gradientų atsiradimo pasekmė; tokie gradientai nustatomi kietosiose medžiagose, kai jos yra patalpintos į magnetinį lauką ir veikiamos įvairiais išorinės aplinkos poveikiais, sukeldamos bendrą vienakryptį nešėjų judėjimą, kurių judėjimas pradinėmis sąlygomis yra atsitiktinis.

Galvanomagnetinio poveikio klasifikacija

Yra žinomi šeši pagrindiniai galvanomagnetiniai efektai:

1.Salės efektai - elektrinio potencialo gradientų atsiradimas dėl nešiklių nuokrypio jiems judant veikiant priverstiniam elektriniam laukui. Tokiu atveju skylės ir elektronai vienu metu arba atskirai juda priešingomis kryptimis ir todėl nukrypsta ta pačia kryptimi.

Žiūrėk - Salės jutiklių taikymas

2. Nersto efektai - elektrinio potencialo gradientų atsiradimas dėl nešiklių deformacijos jiems judant veikiant priverstiniam šiluminiam laukui, o skylės ir elektronai vienu metu arba atskirai juda ta pačia kryptimi ir todėl nukrypsta į priešingas puses.

3. Fotoelektromagnetiniai ir mechanoelektromagnetiniai efektai - elektrinio potencialo gradientų atsiradimas dėl nešiklių nuokrypio jiems judant veikiant priverstiniam cheminiam laukui (dalelių populiacijos gradientai). Tokiu atveju poromis susidarančios skylės ir elektronai kartu juda ta pačia kryptimi ir todėl nukrypsta į priešingas puses.

4. Ettingshauzeno ir Rygos padariniai – Leduc — šiluminių gradientų atsiradimas dėl nešiklio deformacijos, kai karštieji nešikliai nukrypsta labiau nei šalti. Jei šiluminiai gradientai atsiranda dėl Holo efektų, tai šis reiškinys vadinamas Ettingshauzeno efektu, jei jie atsiranda dėl Nernsto efekto, tai reiškinys vadinamas Rigi-Leduc efektu.

5. Elektrinės varžos padidėjimas dėl nešiklių įlinkio joms judant veikiant varomajam elektriniam laukui. Čia tuo pačiu metu sumažėja efektyvusis laidininko skerspjūvio plotas dėl neštuvų pasislinkimo į vieną jo pusę ir sumažėjus nešėjų nuvažiuotam atstumui. srovė dėl jų kelio pratęsimo dėl judėjimo lenktu, o ne tiesiu keliu.

6. Šiluminės varžos padidėjimas dėl besikeičiančių sąlygų, panašių į aukščiau.

Holo efekto jutiklis

Pagrindinis kombinuotas poveikis pasireiškia dviem atvejais:

• kai sudaromos sąlygos tekėti elektros srovei, veikiant potencialų gradientams, atsirandantiems dėl minėtų reiškinių;
• kai susidaro sąlygos susidaryti šilumos srautui, veikiant dėl ​​minėtų reiškinių atsirandantiems šiluminiams gradientams.

Be to, žinomi kombinuoti efektai, kai vienas iš galvanomagnetinių efektų derinamas su vienu ar keliais negalvanomagnetiniais efektais.

1. Šiluminis poveikis:

• nešiklio mobilumo pokyčiai dėl temperatūros pokyčių;
• elektronų ir skylių judrumas kinta įvairiais laipsniais, priklausomai nuo temperatūros;
• nešiotojų populiacijos pokyčiai dėl temperatūros pokyčių;
• elektronų ir skylių populiacijos kinta įvairiais laipsniais dėl temperatūros pokyčių.

2. Anizotropijos poveikis. Kristalinių medžiagų anizotropinės savybės keičia reiškinio, kuris būtų stebimas esant izotropinėms savybėms, rezultatus.

3. Termoelektriniai efektai:

• šiluminiai gradientai dėl šiltų ir šaltų terpių atskyrimo sukuria termoelektrinius efektus;
• termoelektrinis poveikis sustiprėja dėl nešiklio šališkumo, cheminis potencialas medžiagos tūrio vienetui keičiasi dėl nešiklio populiacijos pasikeitimo (Nersto efektai).

4. Feromagnetiniai efektai. Nešiklio judrumas feromagnetinėse medžiagose priklauso nuo absoliutaus magnetinio lauko stiprumo ir krypties (kaip Gauso efekte).

5. Matmenų įtaka. Jei kūnas turi didelius matmenis, palyginti su elektronų trajektorijomis, tai medžiagos savybės visame kūno tūryje turi vyraujančią įtaką elektronų aktyvumui. Jei kūno matmenys yra maži, palyginti su elektronų trajektorijomis, tada gali vyrauti paviršiaus efektai.

6. Stiprių laukų įtaka. Galvanomagnetiniai reiškiniai priklauso nuo to, kiek laiko nešikliai keliauja savo ciklotrono trajektorija. Esant stipriam magnetiniam laukui, nešikliai šiuo keliu gali nukeliauti nemažą atstumą. Bendras skirtingų galimų galvanomagnetinių efektų skaičius yra daugiau nei du šimtai, tačiau iš tikrųjų kiekvieną iš jų galima gauti derinant aukščiau išvardytus reiškinius.

Taip pat žiūrėkite: Elektra ir magnetizmas, pagrindiniai apibrėžimai, judančių įkrautų dalelių rūšys