Lawrence-erő és galvanomágneses hatások
A töltött részecskék mozgatására kifejtett erők
Ha egy elektromosan töltött részecske mozog a környező mágneses térben, akkor a mozgó részecske belső mágneses tere és a környező mező kölcsönhatásba lép, és erőt hoz létre a részecskére. Ez az erő hajlamos megváltoztatni a részecske mozgási irányát. Egyetlen mozgó, elektromos töltésű részecske okozza a megjelenést Bio-Savara mágneses tér.
Bár a Bio-Savart mezőt szigorúan véve csak egy végtelenül hosszú vezeték generálja, amelyben sok töltött részecske mozog, a mágneses tér keresztmetszete az adott részecskén áthaladó egyedi részecske pályája körül azonos kör alakú.
A Bio-Savart mező azonban térben és időben is állandó, és a tér egy adott pontján mért egyedi részecske tere a részecske mozgásával változik.
A Lorentz-törvény meghatározza a mozgó elektromosan töltött részecskékre ható erőt mágneses térben:
F=kQB (dx/dt),
ahol B – a részecske elektromos töltése; B a külső mágneses tér indukciója, amelyben a részecske mozog; dx/dt – a részecskék sebessége; F – a részecskékre ható erő; k — arányossági állandó.
Az elektron pályáját körülvevő mágneses tér az óramutató járásával megegyező irányban irányul, ha abból a tartományból nézzük, ahol az elektron közeledik. Az elektron mozgásának körülményei között mágneses tere a külső tér ellen irányul, az ábrázolt tartomány alsó részében gyengíti azt, és egybeesik a külső térrel, a felső részben erősíti azt.
Mindkét tényező lefelé ható erőt eredményez az elektronra. A külső tér irányával egybeeső egyenes mentén az elektron mágneses tere a külső térre merőlegesen irányul. A mezők ilyen, egymásra merőleges iránya esetén kölcsönhatásuk nem generál semmilyen erőt.
Röviden, ha egy negatív töltésű részecske balról jobbra mozog egy síkban, és a külső mágneses teret a megfigyelő a séma mélyén irányítja, akkor a részecskére ható Lorentz-erő fentről lefelé irányul.
Negatív töltésű részecskékre ható erők, amelyek pályája merőleges a külső mágneses tér erővektorára
Lawrence hatalmai
Egy térben mozgó vezeték keresztezi az ebben a térben meglévő mágneses tér erővonalait, aminek következtében a vezetéken belüli elektronokra egy bizonyos mechanikai kényszertér hat.
Az elektronok mozgása a mágneses mezőn keresztül a vezetékkel együtt történik.Ezt a mozgást korlátozhatja bármely olyan erő hatása, amely akadályozza a vezető mozgását; azonban a huzal haladási irányában az elektronokat nem érinti az elektromos ellenállás.
Egy ilyen vezeték két vége között Lorentz feszültség keletkezik, amely arányos a mozgás sebességével és a mágneses indukcióval. A Lorentz-erők egy irányba mozgatják az elektronokat a vezeték mentén, ami azt eredményezi, hogy a huzal egyik végén több elektron halmozódik fel, mint a másik végén.
A töltések e szétválása által generált feszültség az elektronokat egyenletes eloszlásba hozza vissza, és végül egyensúly jön létre, miközben fenntart egy bizonyos, a huzal sebességével arányos feszültséget. Ha olyan körülményeket teremt, ahol az áram áramolhat a vezetékben, akkor az áramkörben az eredeti Lorentz feszültséggel ellentétes feszültség jön létre.
A képen egy kísérleti elrendezés látható a Lorentz-erő demonstrálására. Bal oldali kép: hogyan néz ki Jobbra: Lorentz erőhatás. Egy elektron a jobb oldalról balra repül A mágneses erő keresztezi a repülési útvonalat és lefelé tereli az elektronsugarat.
Mivel az elektromos áram a töltések rendezett mozgása, a mágneses mezőnek az áramot vezető vezetőre gyakorolt hatása az egyes mozgó töltésekre gyakorolt hatás eredménye.
A Lorentz-erő fő alkalmazása az elektromos gépekben (generátorokban és motorokban).
A mágneses térben áramvezető vezetőre ható erő egyenlő az egyes töltéshordozókra ható Lorentz-erők vektorösszegével. Ezt az erőt Ampere-erőnek nevezzük, azaz.Az ampererő egyenlő az összes Lorentz-erő összegével, amely egy áramvezető vezetőre hat. Néz: Ampere törvénye
Galvanomágneses hatások
A Lorentz-erők hatásának különféle következményeit, amelyek a negatív töltésű részecskék pályájának eltérését okozzák - az elektronok, miközben szilárd anyagokon mozognak, galvanomágneses hatásoknak nevezik.
Amikor elektromos áram folyik egy mágneses térbe helyezett szilárd vezetékben, az áramot hordozó elektronok az áram irányára és a mágneses tér irányára merőleges irányban eltérnek. Minél gyorsabban mozognak az elektronok, annál jobban eltérülnek.
Az elektronok eltérülése következtében elektromos potenciál gradiensek jönnek létre az áram irányára merőleges irányban. Tekintettel arra, hogy a gyorsabban mozgó elektronok jobban eltérnek, mint a lassabban mozgók, termikus gradiensek keletkeznek, amelyek szintén merőlegesek az áram irányára.
Így a galvanomágneses hatások közé tartoznak az elektromos és termikus jelenségek.
Tekintettel arra, hogy az elektronok erőltetett elektromos, termikus és kémiai mezők hatására mozoghatnak, a galvanomágneses hatásokat mind a kényszerítő tér típusa, mind a keletkező jelenségek természete szerint osztályozzák - termikus vagy elektromos.
A „galvanomágneses” kifejezés csak bizonyos szilárd testekben megfigyelt jelenségekre vonatkozik, ahol az egyetlen olyan részecskék, amelyek tetszőleges mennyiségben képesek mozogni, az elektronok, amelyek „szabad anyagként” vagy úgynevezett lyukak kialakítására szolgáló szerekként működnek.Ezért a galvanomágneses jelenségeket a hordozó típusa szerint is osztályozzák - szabad elektronok vagy lyukak.
A hőenergia egyik megnyilvánulása bármely szilárd anyag elektronjai egy részének, véletlenszerűen irányított pályákon és véletlenszerű sebességgel történő folyamatos mozgása. Ha ezek a mozgások teljesen véletlenszerű karakterisztikával rendelkeznek, akkor az elektronok összes egyedi mozgásának összege nulla, és lehetetlen kimutatni az egyes részecskék Lorentz-erők hatására bekövetkező eltéréseinek következményeit.
Ha van elektromos áram, azt bizonyos számú töltött részecske vagy hordozó hordozza, amelyek ugyanabban vagy ugyanabban az irányban mozognak.
Szilárd testekben az elektromos áram valamilyen általános egyirányú mozgás szuperpozíciója eredményeképpen jön létre az elektronok eredeti véletlenszerű mozgására. Ebben az esetben az elektronaktivitás részben véletlenszerű válasz a hőenergia hatására, részben pedig egyirányú válasz az elektromos áramot generáló hatásra.
Állandó mágneses térben körpályán mozgó elektronnyaláb. A csőben az elektron útját mutató lila fény az elektronok gázmolekulákkal való ütközésével jön létre.
Bár az elektronok bármilyen mozgása reagál a Lorentz-erők hatására, csak azok a mozgások tükröződnek galvanomágneses jelenségekben, amelyek hozzájárulnak az áramátvitelhez.
Tehát galvanomágneses jelenségek az egyik következménye annak, ha egy szilárd testet mágneses térbe helyezünk, és elektronjai mozgásához egyirányú mozgást adunk, ami a kezdeti körülmények között véletlenszerű volt. A feltételek ezen kombinációjának egyik eredménye a a hordozó részecskék populációs gradienseinek megjelenése az egyirányú mozgásukra merőleges irányban.
A Lorentz-erők hajlamosak az összes hordozót a huzal egyik oldalára mozgatni. Mivel a hordozók töltött részecskék, populációjuk ilyen gradiensei elektromos potenciál gradienseket is létrehoznak, amelyek kiegyenlítik a Lorentz-erőket, és maguk is képesek elektromos áramot gerjeszteni.
Ilyen áram jelenlétében háromkomponensű egyensúly jön létre a Lorentz-erők, a galvanomágneses feszültségek és az ellenállási feszültségek között.
Az elektronok véletlenszerű mozgását hőenergia támogatja, amelyet az anyag hőmérséklete határoz meg. A részecskék egyirányú mozgásához szükséges energiának egy másik forrásból kell származnia. Ez utóbbi magában az anyagban nem képződhet, ha egyensúlyi állapotban van, akkor az energiának a környezetből kell származnia.
Így a galvanomágneses konverzió olyan elektromos jelenségekhez kapcsolódik, amelyek a hordozópopuláció gradiensek megjelenésének következményei; ilyen gradiensek jönnek létre szilárd testekben, amikor mágneses térbe helyezik őket, és a külső környezet különböző hatásainak vannak kitéve, ami a hordozók általános egyirányú mozgását okozza, amelyek mozgása a kezdeti körülmények között véletlenszerű.
Galvanomágneses hatások osztályozása
Hat fő galvanomágneses hatás ismert:
1.Hall effektusok - az elektromos potenciál gradienseinek megjelenése a hordozók eltérése következtében a kényszerítő elektromos tér hatására történő mozgásuk során. Ebben az esetben a lyukak és az elektronok egyidejűleg vagy külön-külön ellentétes irányba mozognak, és ezért ugyanabba az irányba térnek el.
Néz - Hall érzékelő alkalmazások
2. Nerst hatások — elektromos potenciálgradiensek megjelenése a hordozók kényszerű hőtér hatására történő mozgásuk során bekövetkező elhajlása következtében, miközben a lyukak és elektronok egyidejűleg vagy külön-külön ugyanabba az irányba mozognak, és ezért ellentétes irányba térnek el.
3. Fotoelektromágneses és mechanoelektromágneses hatások - az elektromos potenciál gradienseinek megjelenése a hordozók eltérése következtében a kényszerítő kémiai tér hatására történő mozgásuk során (a részecskék populációjának gradiensei). Ebben az esetben a párokban képződött lyukak és elektronok egy irányba mozognak együtt, és ezért ellentétes irányba térnek el.
4. Ettingshausen és Riga – Leduc hatásai — termikus gradiensek megjelenése a hordozóelhajlás következtében, amikor a meleg hordozók nagyobb mértékben térnek el, mint a hidegek. Ha a termikus gradiensek a Hall-effektusokkal összefüggésben jelentkeznek, akkor ezt a jelenséget Ettingshausen-effektusnak nevezzük, ha a Nernst-effektus kapcsán, akkor a jelenséget Rigi-Leduc-effektusnak nevezzük.
5. Az elektromos ellenállás növekedése a hordozók elhajlása következtében a mozgató elektromos tér hatására történő mozgásuk során. Itt ugyanakkor csökken a vezető effektív keresztmetszete a hordozók eltolódása miatt az egyik oldalra, és csökken a hordozók által megtett távolság a vezető irányába. áramerősség az útjuk meghosszabbítása miatt, amiatt, hogy egyenes út helyett íves úton haladnak.
6. A hőellenállás növekedése a fentiekhez hasonló változó körülmények hatására.
Hall effektus érzékelő
A fő kombinált hatások két esetben jelentkeznek:
- amikor a fenti jelenségekből adódó potenciálgradiensek hatására az elektromos áram áramlásának feltételei megteremtődnek;
- amikor a fenti jelenségekből adódó termikus gradiensek hatására a hőáram kialakulásának feltételei megteremtődnek.
Ezen kívül ismertek olyan kombinált effektusok, amelyeknél a galvanomágneses hatások egyike egy vagy több nem-galvanomágneses hatással kombinálódik.
1. Hőhatások:
- a hordozó mobilitása megváltozik a hőmérséklet változásai miatt;
- az elektronok és lyukak mozgékonysága a hőmérséklettől függően változó mértékben változik;
- hordozó populáció változása a hőmérséklet változásai miatt;
- az elektron- és lyukpopuláció a hőmérséklet változása miatt változó mértékben változik.
2. Az anizotrópia hatásai. A kristályos anyagok anizotróp tulajdonságai megváltoztatják az izotróp jellemzőkkel megfigyelhető jelenség eredményeit.
3. Termoelektromos hatások:
- a meleg és hideg közeg elválasztásából adódó termikus gradiensek termoelektromos hatásokat keltenek;
- a termoelektromos hatások fokozódnak a hordozó torzítás hatására, az anyag egységnyi térfogatra jutó kémiai potenciálja a hordozópopuláció változása miatt változik (Nerst-effektusok).
4. Ferromágneses hatások. A vivőanyag mobilitása ferromágneses anyagokban a mágneses tér abszolút erősségétől és irányától függ (mint a Gauss-effektusnál).
5. A méretek befolyása. Ha a test méretei az elektronpályákhoz képest nagyok, akkor az anyag tulajdonságai a test teljes térfogatában döntően befolyásolják az elektronaktivitást. Ha a test méretei kicsik az elektronpályákhoz képest, akkor a felületi hatások dominálhatnak.
6. Erős mezők hatása. A galvanomágneses jelenségek attól függnek, hogy a hordozók mennyi ideig haladnak a ciklotron pályájukon. Erős mágneses térben a hordozók jelentős távolságot tehetnek meg ezen az úton. A különböző lehetséges galvanomágneses hatások száma összesen több mint kétszáz, de valójában mindegyik a fent felsorolt jelenségek kombinálásával érhető el.
Lásd még: Elektromosság és mágnesesség, alapdefiníciók, mozgó töltött részecskék típusai