Lawrence-voima ja galvanomagneettiset vaikutukset

Varautuneiden hiukkasten liikkumiseen kohdistuvat voimat

Jos sähköisesti varautunut hiukkanen liikkuu ympäröivässä magneettikentässä, liikkuvan hiukkasen sisäinen magneettikenttä ja ympäröivä kenttä ovat vuorovaikutuksessa, jolloin hiukkaseen kohdistuu voima. Tämä voima pyrkii muuttamaan hiukkasen liikkeen suuntaa. Yksittäinen liikkuva hiukkanen sähkövarauksella aiheuttaa ulkonäön Bio-Savara magneettikenttä.

Vaikka Bio-Savart-kenttä tiukasti ottaen syntyy vain äärettömän pitkästä langasta, jossa monet varautuneet hiukkaset liikkuvat, hiukkasen läpi kulkevan yksittäisen hiukkasen liikeradan ympärillä olevan magneettikentän poikkileikkauksella on sama pyöreä konfiguraatio.

Bio-Savart-kenttä on kuitenkin vakio sekä avaruudessa että ajassa, ja yksittäisen hiukkasen kenttä, joka mitataan tietyssä pisteessä avaruudessa, muuttuu hiukkasen liikkuessa.

Lorentzin laki määrittelee voiman, joka vaikuttaa liikkuvaan sähköisesti varautuneeseen hiukkaseen magneettikentässä:

F = kQB (dx/dt),

jossa B - hiukkasen sähkövaraus; B on ulkoisen magneettikentän induktio, jossa hiukkanen liikkuu; dx/dt — hiukkasten nopeus; F - tuloksena oleva voima hiukkaseen; k — suhteellisuusvakio.

Elektronin liikeradan ympärillä oleva magneettikenttä on suunnattu myötäpäivään elektronin lähestymisalueelta katsottuna. Elektronin liikkeen olosuhteissa sen magneettikenttä on suunnattu ulkoista kenttää vastaan ​​heikentäen sitä esitetyn alueen alaosassa ja osuu yhteen ulkoisen kentän kanssa vahvistaen sitä yläosassa.

Molemmat tekijät johtavat elektroniin kohdistuvaan alaspäin suuntautuvaan voimaan. Ulkoisen kentän suunnan kanssa yhtäpitävää suoraa pitkin elektronin magneettikenttä on suunnattu suorassa kulmassa ulkoiseen kenttään nähden. Kun kentät ovat keskenään kohtisuorassa suunnassa, niiden vuorovaikutus ei synnytä voimia.

Lyhyesti, jos negatiivisesti varautunut hiukkanen liikkuu tasossa vasemmalta oikealle ja havainnoija ohjaa ulkoisen magneettikentän kaavion syvyyteen, niin hiukkaseen kohdistettu Lorentzin voima on suunnattu ylhäältä alas.

Voimat, jotka vaikuttavat negatiivisesti varautuneeseen hiukkaseen, jonka liikerata on suunnattu kohtisuoraan ulkoisen magneettikentän voimavektoriin nähden

Lawrencen voimat

Avaruudessa liikkuva lanka ylittää tässä tilassa olevan magneettikentän voimalinjat, minkä seurauksena langan sisällä oleviin elektroneihin vaikuttaa tietty mekaaninen pakkokenttä.

Elektronien liike magneettikentän läpi tapahtuu langan mukana.Tätä liikettä voivat rajoittaa kaikki voimat, jotka estävät johtimen liikettä; langan kulkusuunnassa sähkövastus ei kuitenkaan vaikuta elektroneihin.

Tällaisen johtimen kahden pään väliin syntyy Lorentz-jännite, joka on verrannollinen liikenopeuteen ja magneettiseen induktioon. Lorentz-voimat liikuttavat elektroneja pitkin lankaa yhteen suuntaan, mikä johtaa siihen, että langan toiseen päähän kertyy enemmän elektroneja kuin toiseen.

Tämän varausten erotuksen synnyttämä jännite pyrkii tuomaan elektronit takaisin tasaiseen jakautumiseen ja lopulta tasapainottuu säilyttäen samalla tietyn jännitteen, joka on verrannollinen langan nopeuteen. Jos luot olosuhteet, joissa virta voi virrata johdossa, piiriin muodostuu jännite, joka on päinvastainen kuin alkuperäinen Lorentzin jännite.

Kuvassa on kokeellinen järjestely Lorentzin voiman osoittamiseksi. Vasen kuva: miltä se näyttää Oikealla: Lorentzin voimaefekti. Elektroni lentää oikeasta päästä vasemmalle ja magneettinen voima ylittää lentoradan ja kääntää elektronisäteen alaspäin.

Koska sähkövirta on määrättyä varausten liikettä, magneettikentän vaikutus virtaa kuljettavaan johtimeen on seurausta sen vaikutuksesta yksittäisiin liikkuviin varauksiin.

Lorentzin voiman pääasiallinen käyttökohde on sähkökoneissa (generaattoreissa ja moottoreissa).

Magneettikentässä virtaa kuljettavaan johtimeen vaikuttava voima on yhtä suuri kuin kuhunkin varauksen kantajaan vaikuttavien Lorentzin voimien vektorisumma. Tätä voimaa kutsutaan Amperen voimaksi, ts.Ampeerivoima on yhtä suuri kuin kaikkien virtaa kuljettavaan johtimeen vaikuttavien Lorentzin voimien summa. Katso: Amperen laki

Galvanomagneettiset vaikutukset

Lorentzin voimien toiminnan erilaisia ​​seurauksia, jotka aiheuttavat poikkeaman negatiivisesti varautuneiden hiukkasten liikeradassa - elektronit liikkuessaan kiinteiden aineiden läpi, kutsutaan galvanomagneettisiksi vaikutuksiksi.

Kun sähkövirta kulkee magneettikenttään sijoitetussa kiinteässä johdossa, tätä virtaa kuljettavat elektronit poikkeavat suunnassa, joka on kohtisuorassa sekä virran suuntaan että magneettikentän suuntaan. Mitä nopeammin elektronit liikkuvat, sitä enemmän ne taipuvat.

Elektronien taipumisen seurauksena muodostuu sähköpotentiaalin gradientit suuntiin, jotka ovat kohtisuorassa virran suuntaan. Koska nopeammin liikkuvat elektronit taipuvat enemmän kuin hitaammin liikkuvat, syntyy lämpögradientteja, myös kohtisuorassa virran suuntaan.

Näin ollen galvanomagneettisiin vaikutuksiin kuuluvat sähkö- ja lämpöilmiöt.

Ottaen huomioon, että elektronit voivat liikkua pakottavien sähkö-, lämpö- ja kemiallisten kenttien vaikutuksesta, galvanomagneettiset vaikutukset luokitellaan sekä pakottavan kentän tyypin että tuloksena olevien ilmiöiden luonteen - lämpö- tai sähköisten - mukaan.

Termi "galvanomagneettinen" viittaa vain tiettyihin kiinteissä aineissa havaittuihin ilmiöihin, joissa ainoat hiukkaset, jotka pystyvät liikkumaan huomattavassa määrin, ovat elektronit, jotka toimivat joko "vapaina aineina" tai tekijöinä ns. reikien muodostamiseksi.Siksi galvanomagneettiset ilmiöt luokitellaan myös niiden kantajan tyypin mukaan - vapaat elektronit tai aukot.

Yksi lämpöenergian ilmenemismuodoista on minkä tahansa kiinteän aineen elektronien osan jatkuva liike satunnaisesti suunnattuja lentoratoja pitkin ja satunnaisilla nopeuksilla. Jos näillä liikkeillä on täysin satunnaisia ​​ominaisuuksia, niin elektronien kaikkien yksittäisten liikkeiden summa on nolla, eikä yksittäisten hiukkasten poikkeamien seurauksia Lorentzin voimien vaikutuksesta voida havaita.

Jos sähkövirta on olemassa, sitä kuljettaa tietty määrä varautuneita hiukkasia tai kantajia, jotka liikkuvat samaan tai samaan suuntaan.

Kiinteissä aineissa sähkövirta syntyy jonkin yleisen yksisuuntaisen liikkeen superpositiosta elektronien alkuperäiseen satunnaiseen liikkeeseen. Tässä tapauksessa elektroniaktiivisuus on osittain satunnainen vaste lämpöenergian vaikutukselle ja osittain yksisuuntainen vaste sähkövirran muodostavalle vaikutukselle.

Elektronisuihku, joka liikkuu ympyräradalla jatkuvassa magneettikentässä. Violetti valo, joka näyttää elektronin polun tässä putkessa, syntyy elektronien törmäyksestä kaasumolekyyleihin.

Vaikka mikä tahansa elektronien liike reagoi Lorentzin voimien toimintaan, vain ne liikkeet, jotka myötävaikuttavat virran siirtoon, heijastuvat galvanomagneettisissa ilmiöissä.

Joten galvanomagneettiset ilmiöt ovat yksi seurauksista kiinteän kappaleen sijoittamisesta magneettikenttään ja yksisuuntaisen liikkeen lisäämisestä sen elektronien liikkeeseen, joka alkuolosuhteissa oli luonteeltaan satunnaista. Yksi tämän olosuhteiden yhdistelmän seurauksista on kantajahiukkasten populaatiogradienttien esiintyminen suunnassa, joka on kohtisuorassa niiden yksisuuntaiseen liikkeeseen nähden.

Lorentzin voimilla on taipumus siirtää kaikki kantolaitteet langan toiselle puolelle. Koska kantajat ovat varautuneita hiukkasia, tällaiset niiden populaation gradientit luovat myös sähköpotentiaalin gradientteja, jotka tasapainottavat Lorentzin voimia ja voivat itse virittää sähkövirran.

Tällaisen virran läsnä ollessa muodostuu kolmikomponenttinen tasapaino Lorentzin voimien, galvanomagneettisten jännitteiden ja resistiivisten jännitteiden välille.

Elektronien satunnaista liikettä tukee lämpöenergia, jonka määrää aineen lämpötila. Energian, joka tarvitaan pitämään hiukkaset liikkumaan yhteen suuntaan, on tultava toisesta lähteestä. Tämä jälkimmäinen ei voi muodostua itse aineen sisällä, jos se on tasapainotilassa, energian on tultava ympäristöstä.

Siten galvanomagneettinen muunnos liittyy sähköisiin ilmiöihin, jotka ovat seurausta kantoaaltopopulaatiogradienttien ilmaantumisesta; tällaiset gradientit muodostuvat kiinteisiin aineisiin, kun ne asetetaan magneettikenttään ja altistetaan erilaisille ulkoisen ympäristön vaikutuksille, mikä aiheuttaa kantajien yleisen yksisuuntaisen liikkeen, jonka liike alkuolosuhteissa on satunnaista.

Galvanomagneettisten vaikutusten luokittelu

Tunnetaan kuusi pääasiallista galvanomagneettista vaikutusta:

1.Hall-efektit — sähköpotentiaalin gradienttien ilmaantuminen kantajien poikkeaman seurauksena niiden liikkuessa pakottavan sähkökentän vaikutuksesta. Tässä tapauksessa reiät ja elektronit liikkuvat samanaikaisesti tai yksittäin vastakkaisiin suuntiin ja poikkeavat siten samaan suuntaan.

Katso - Hall-anturisovellukset

2. Nerst-efektit — sähköisten potentiaaligradienttien ilmaantuminen kantoaaltojen taipumisen seurauksena niiden liikkuessa pakotetun lämpökentän vaikutuksesta, kun taas reiät ja elektronit liikkuvat samanaikaisesti tai erikseen samaan suuntaan ja poikkeavat siksi vastakkaisiin suuntiin.

3. Valosähkömagneettiset ja mekaanisähkömagneettiset vaikutukset — sähköpotentiaalin gradienttien ilmaantuminen kantajien poikkeaman seurauksena niiden liikkuessa pakottavan kemiallisen kentän vaikutuksesta (hiukkaspopulaation gradientit). Tässä tapauksessa pareittain muodostuneet reiät ja elektronit liikkuvat yhdessä samaan suuntaan ja siten poikkeavat vastakkaisiin suuntiin.

4. Ettingshausenin ja Riian vaikutukset – Leduc — lämpögradienttien ilmaantuminen kantoaineen taipumisen seurauksena, kun kuumat kantajat taipuvat enemmän kuin kylmät. Jos termiset gradientit esiintyvät Hall-ilmiöiden yhteydessä, niin tätä ilmiötä kutsutaan Ettingshausen-ilmiöksi, jos ne esiintyvät Nernst-ilmiön yhteydessä, niin ilmiötä kutsutaan Rigi-Leduc-ilmiöksi.

5. Sähkövastuksen kasvu johtuen kantoaaltojen taipumisesta niiden liikkuessa ohjaavan sähkökentän vaikutuksesta. Tässä samaan aikaan johtimen tehollinen poikkileikkauspinta-ala pienenee johtuen kantajien siirtymisestä sen toiselle puolelle ja kantajien kulkeman matkan pienenemisestä johtimen suuntaan. virta, joka johtuu niiden polun pidentymisestä, koska ne liikkuvat kaarevaa polkua pitkin suoran sijaan.

6. Lämpövastuksen kasvu yllä olevan kaltaisten olosuhteiden muuttuessa.

Hall-efektin anturi

Tärkeimmät yhdistetyt vaikutukset ilmenevät kahdessa tapauksessa:

• kun luodaan olosuhteet sähkövirran virtaukselle edellä mainituista ilmiöistä johtuvien potentiaaligradienttien vaikutuksesta;
• kun luodaan olosuhteet lämpövirran muodostumiselle edellä mainituista ilmiöistä johtuvien lämpögradienttien vaikutuksesta.

Lisäksi tunnetaan yhdistelmäefektejä, joissa yksi galvanomagneettisista vaikutuksista yhdistetään yhteen tai useampaan ei-galvanomagneettiseen vaikutukseen.

1. Lämpövaikutukset:

• operaattorin liikkuvuus muuttuu lämpötilan muutosten vuoksi;
• elektronien ja aukkojen liikkuvuus muuttuu eriasteisesti lämpötilasta riippuen;
• kantajapopulaatiomuutokset lämpötilan muutosten vuoksi;
• elektroni- ja aukkopopulaatiot muuttuvat vaihtelevassa määrin lämpötilan muutosten vuoksi.

2. Anisotropian vaikutukset. Kiteisten aineiden anisotrooppiset ominaisuudet muuttavat ilmiön tuloksia, jotka havaittaisiin isotrooppisilla ominaisuuksilla.

3. Lämpösähköiset vaikutukset:

• lämpögradientit, jotka johtuvat lämpimän ja kylmän väliaineen erottamisesta, synnyttävät lämpösähköisiä vaikutuksia;
• lämpösähköiset vaikutukset lisääntyvät kantajapopulaation seurauksena, aineen kemiallinen potentiaali tilavuusyksikköä kohti muuttuu kantajapopulaation muutoksen seurauksena (Nerst-vaikutukset).

4. Ferromagneettiset vaikutukset. Kantajan liikkuvuus ferromagneettisissa aineissa riippuu magneettikentän absoluuttisesta voimakkuudesta ja suunnasta (kuten Gaussin efektissä).

5. Mittojen vaikutus. Jos keholla on suuret mitat verrattuna elektronien liikeradoihin, niin aineen ominaisuuksilla koko kehon tilavuudessa on hallitseva vaikutus elektronien aktiivisuuteen. Jos kappaleen mitat ovat pieniä verrattuna elektronien liikeradoihin, pintavaikutukset voivat vallita.

6. Vahvojen kenttien vaikutus. Galvanomagneettiset ilmiöt riippuvat siitä, kuinka kauan kantajat kulkevat syklotronirataa pitkin. Voimakkaissa magneettikentissä kantajat voivat kulkea huomattavan matkan tätä reittiä pitkin. Erilaisia ​​mahdollisia galvanomagneettisia vaikutuksia on yhteensä yli kaksisataa, mutta itse asiassa jokainen niistä voidaan saada yhdistämällä yllä luetellut ilmiöt.

Katso myös: Sähkö ja magnetismi, perusmääritelmät, liikkuvien varautuneiden hiukkasten tyypit