Lawrence kraft och galvanomagnetiska effekter
Krafter som appliceras på rörliga laddade partiklar
Om en elektriskt laddad partikel rör sig i ett omgivande magnetfält, så samverkar det interna magnetfältet hos den rörliga partikeln och det omgivande fältet och genererar en kraft som appliceras på partikeln. Denna kraft tenderar att ändra partikelns rörelseriktning. En enda rörlig partikel med en elektrisk laddning orsakar utseendet Bio-Savara magnetfält.
Även om Bio-Savart-fältet strängt taget bara genereras av en oändligt lång tråd i vilken många laddade partiklar rör sig, har tvärsnittet av magnetfältet runt banan för en enskild partikel som passerar genom den partikeln samma cirkulära konfiguration.
Bio-Savart-fältet är dock konstant i både rum och tid, och fältet för en enskild partikel uppmätt vid en given punkt i rymden förändras när partikeln rör sig.
Lorentz lag definierar kraften som verkar på en rörlig elektriskt laddad partikel i ett magnetfält:
F=kQB (dx/dt),
där B — partikelns elektriska laddning; B är induktionen av det yttre magnetfältet i vilket partikeln rör sig; dx/dt — partiklarnas hastighet; F — den resulterande kraften på partikeln; k — proportionalitetskonstant.
Det magnetiska fältet som omger elektronens bana är riktat medurs sett från det område som elektronen närmar sig. Under förhållanden för elektronens rörelse riktas dess magnetfält mot det yttre fältet, försvagar det i den nedre delen av det visade området och sammanfaller med det yttre fältet, vilket förstärker det i den övre delen.
Båda faktorerna resulterar i en nedåtriktad kraft som appliceras på elektronen. Längs en rät linje som sammanfaller med det yttre fältets riktning riktas elektronens magnetfält i rät vinkel mot det yttre fältet. Med en sådan ömsesidigt vinkelrät riktning av fälten genererar deras interaktion inga krafter.
Kortfattat, om en negativt laddad partikel rör sig från vänster till höger i ett plan och det externa magnetfältet riktas av observatören på djupet av schemat, så riktas Lorentz-kraften som appliceras på partikeln från topp till botten.
Krafter som verkar på en negativt laddad partikel vars bana är riktad vinkelrätt mot kraftvektorn för det externa magnetfältet
Lawrences krafter
En tråd som rör sig i rymden korsar kraftlinjerna för det magnetiska fält som finns i detta utrymme, som ett resultat av vilket ett visst mekaniskt koercitivfält verkar på elektronerna inuti tråden.
Elektronernas rörelse genom ett magnetfält sker tillsammans med tråden.Denna rörelse kan begränsas av inverkan av alla krafter som hindrar ledarens rörelse; men i trådens färdriktning påverkas inte elektronerna av elektriskt motstånd.
Mellan de två ändarna av en sådan tråd genereras en Lorentz-spänning, som är proportionell mot rörelsehastigheten och den magnetiska induktionen. Lorentz-krafter flyttar elektroner längs tråden i en riktning, vilket resulterar i att fler elektroner ackumuleras i ena änden av tråden än i den andra.
Spänningen som genereras av denna separation av laddningar tenderar att föra tillbaka elektronerna till en enhetlig fördelning och så småningom upprättas jämvikt samtidigt som en viss spänning bibehålls proportionell mot trådens hastighet. Om du skapar förhållanden där ström kan flyta i tråden, kommer en spänning att etableras i kretsen som är motsatt den ursprungliga Lorentz-spänningen.
Bilden visar en experimentell uppställning för att demonstrera Lorentz-kraften. Vänster bild: hur det ser ut Höger: Lorentz krafteffekt. En elektron flyger från den högra änden till vänster. Den magnetiska kraften korsar flygbanan och avleder elektronstrålen nedåt.
Eftersom en elektrisk ström är en ordnad rörelse av laddningar, är effekten av ett magnetfält på en strömförande ledare resultatet av dess verkan på enskilda rörliga laddningar.
Den huvudsakliga tillämpningen av Lorentz-kraften är i elektriska maskiner (generatorer och motorer).
Kraften som verkar på en strömförande ledare i ett magnetfält är lika med vektorsumman av de Lorentzkrafter som verkar på varje laddningsbärare. Denna kraft kallas Amperes kraft, d.v.s.Amperekraften är lika med summan av alla Lorentz-krafter som verkar på en strömförande ledare. Se: Amperes lag
Galvanomagnetiska effekter
Olika konsekvenser av verkan av Lorentz-krafter, som orsakar en avvikelse i banan för negativt laddade partiklar - elektroner, medan de rör sig genom fasta ämnen, kallas galvanomagnetiska effekter.
När en elektrisk ström flyter i en solid tråd placerad i ett magnetfält avböjs elektronerna som bär den strömmen i en riktning som är vinkelrät mot både strömriktningen och magnetfältets riktning. Ju snabbare elektronerna rör sig, desto mer avböjs de.
Som ett resultat av elektronernas avböjning etableras gradienter av elektrisk potential i riktningar vinkelräta mot strömriktningen. På grund av att de snabbare rörliga elektronerna avböjs mer än de långsammare, uppstår termiska gradienter, också vinkelräta mot strömriktningen.
Sålunda inkluderar galvanomagnetiska effekter elektriska och termiska fenomen.
Med tanke på att elektroner kan röra sig under påverkan av tvingande elektriska, termiska och kemiska fält, klassificeras galvanomagnetiska effekter både av typen av tvingande fält och av arten av de resulterande fenomenen - termiska eller elektriska.
Termen "galvanomagnetisk" hänvisar endast till vissa fenomen som observeras i fasta ämnen, där den enda typen av partiklar som kan röra sig i någon märkbar mängd är elektroner, som fungerar antingen som "fria medel" eller som medel för bildandet av så kallade hål.Därför klassificeras galvanomagnetiska fenomen också beroende på vilken typ av bärare som är involverad i dem - fria elektroner eller hål.
En av manifestationerna av värmeenergi är den kontinuerliga rörelsen av en del av elektronerna i ett fast ämne längs slumpmässigt riktade banor och med slumpmässiga hastigheter. Om dessa rörelser har helt slumpmässiga egenskaper, är summan av alla individuella rörelser hos elektronerna noll, och det är omöjligt att upptäcka några konsekvenser av individuella partiklars avvikelser under påverkan av Lorentz-krafter.
Om det finns en elektrisk ström bärs den av ett visst antal laddade partiklar eller bärare som rör sig i samma eller samma riktning.
I fasta ämnen uppstår den elektriska strömmen som ett resultat av överlagring av någon allmän enkelriktad rörelse på den ursprungliga slumpmässiga rörelsen av elektroner. I detta fall är elektronaktiviteten dels ett slumpmässigt svar på effekten av termisk energi och dels ett enkelriktat svar på effekten som genererar en elektrisk ström.
En elektronstråle som rör sig i en cirkulär bana i ett konstant magnetfält. Det lila ljuset som visar en elektrons väg i detta rör skapas genom kollision mellan elektroner och gasmolekyler.
Även om varje rörelse av elektroner reagerar på Lorentz-krafternas verkan, återspeglas endast de rörelser som bidrar till överföringen av ström i galvanomagnetiska fenomen.
Så galvanomagnetiska fenomen är en av konsekvenserna av att placera en fast kropp i ett magnetfält och lägga till enkelriktad rörelse till dess elektroners rörelse, som under de ursprungliga förhållandena var slumpmässigt till sin natur. Ett av resultaten av denna kombination av förhållanden är uppkomsten av populationsgradienter av bärarpartiklarna i en riktning vinkelrät mot deras enkelriktade rörelse.
Lorentz-styrkor tenderar att flytta alla bärare till ena sidan av tråden. Eftersom bärarna är laddade partiklar skapar sådana gradienter av deras befolkning också gradienter av elektrisk potential som balanserar Lorentzkrafterna och själva kan excitera en elektrisk ström.
I närvaro av en sådan ström upprättas en trekomponentjämvikt mellan Lorentz-krafter, galvanomagnetiska spänningar och resistiva spänningar.
Den slumpmässiga rörelsen av elektroner stöds av termisk energi, som bestäms av temperaturen hos ett ämne. Den energi som behövs för att hålla partiklarna i rörelse i en riktning måste komma från en annan källa. Detta senare kan inte bildas inuti själva ämnet, om det är i ett jämviktstillstånd måste energin komma från omgivningen.
Sålunda är galvanomagnetisk omvandling relaterad till elektriska fenomen som är en konsekvens av uppkomsten av bärarpopulationsgradienter; sådana gradienter etableras i fasta ämnen när de placeras i ett magnetfält och utsätts för olika påverkan från den yttre miljön, vilket orsakar en allmän enkelriktad rörelse av bärare vars rörelse under de initiala förhållandena är slumpmässig.
Klassificering av galvanomagnetiska effekter
Sex huvudsakliga galvanomagnetiska effekter är kända:
1.Halleffekter — Uppkomsten av gradienter av den elektriska potentialen som ett resultat av bärarnas avvikelse under deras rörelse under inverkan av det tvingande elektriska fältet. I detta fall rör sig hål och elektroner samtidigt eller individuellt i motsatta riktningar och avviker därför åt samma håll.
2. Nersteffekter — Uppkomsten av elektriska potentialgradienter som ett resultat av avböjningen av bärarna under deras rörelse under inverkan av ett påtvingat termiskt fält, medan hålen och elektronerna samtidigt eller separat rör sig i samma riktning och därför avviker i motsatta riktningar.
3. Fotoelektromagnetiska och mekanoelektromagnetiska effekter — Uppkomsten av gradienter av den elektriska potentialen som ett resultat av bärarnas avvikelse under deras rörelse under påverkan av det tvingande kemiska fältet (gradienter av populationen av partiklar). I det här fallet rör sig hålen och elektronerna som bildas i par tillsammans i samma riktning och avviker därför i motsatta riktningar.
4. Effekterna av Ettingshausen och Riga — Leduc — Uppkomsten av termiska gradienter som ett resultat av bäraravböjning, när varma bärare avböjs i större utsträckning än kalla. Om de termiska gradienterna uppstår i samband med Hall-effekterna, så kallas detta fenomen för Ettingshausen-effekten, om de uppstår i samband med Nernst-effekten, så kallas fenomenet för Rigi-Leduc-effekten.
5. Ökning av elektriskt motstånd som ett resultat av avböjning av bärare under deras rörelse under påverkan av ett drivande elektriskt fält. Här sker samtidigt en minskning av ledarens effektiva tvärsnittsarea på grund av förskjutningen av bärarna till ena sidan av den och en minskning av avståndet som bärarna tillryggalagt i riktning mot ström på grund av förlängningen av deras bana på grund av att de rör sig längs en krökt bana istället för en rak.
6. Ökning av termisk resistans som ett resultat av ändrade förhållanden liknande ovanstående.
Halleffektsensor
De huvudsakliga kombinerade effekterna uppträder i två fall:
- när förhållanden skapas för flödet av elektrisk ström under påverkan av potentialgradienter som härrör från ovanstående fenomen;
- när förhållanden skapas för bildandet av ett värmeflöde under inverkan av termiska gradienter till följd av ovanstående fenomen.
Dessutom är kombinerade effekter kända, där en av de galvanomagnetiska effekterna kombineras med en eller flera icke-galvanomagnetiska effekter.
1. Termiska effekter:
- bärares rörlighet förändras på grund av temperaturförändringar;
- elektron- och hålrörlighet ändras i varierande grad beroende på temperatur;
- bärarpopulationen förändras på grund av temperaturförändringar;
- elektron- och hålpopulationerna förändras i olika grad på grund av temperaturförändringar.
2. Effekter av anisotropi. De anisotropa egenskaperna hos kristallina ämnen förändrar resultaten av fenomenet som skulle observeras med isotropa egenskaper.
3. Termoelektriska effekter:
- termiska gradienter på grund av separationen av varma och kalla medier genererar termoelektriska effekter;
- termoelektriska effekter förstärks som ett resultat av bärarbias, den kemiska potentialen per volymenhet av ämnet förändras på grund av en förändring i bärarpopulationen (Nerst-effekter).
4. Ferromagnetiska effekter. Bärarrörlighet i ferromagnetiska ämnen beror på magnetfältets absoluta styrka och riktning (som i Gausseffekten).
5. Inverkan av dimensioner. Om kroppen har stora dimensioner jämfört med elektronbanorna, så har ämnets egenskaper genom hela kroppens volym en övervägande effekt på elektronaktiviteten. Om kroppens dimensioner är små jämfört med elektronbanorna kan yteffekter dominera.
6. Inverkan av starka fält. Galvanomagnetiska fenomen beror på hur länge bärarna färdas längs sin cyklotronbana. I starka magnetfält kan bärarna färdas en avsevärd sträcka längs denna väg. Det totala antalet olika möjliga galvanomagnetiska effekter är mer än tvåhundra, men i själva verket kan var och en av dem erhållas genom att kombinera ovanstående fenomen.
Se även: Elektricitet och magnetism, grundläggande definitioner, typer av rörliga laddade partiklar