Δύναμη Lawrence και γαλβανομαγνητικά αποτελέσματα

Δυνάμεις που εφαρμόζονται στα κινούμενα φορτισμένα σωματίδια

Εάν ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο κινείται σε ένα περιβάλλον μαγνητικό πεδίο, τότε το εσωτερικό μαγνητικό πεδίο αυτού του κινούμενου σωματιδίου και το περιβάλλον πεδίο αλληλεπιδρούν, δημιουργώντας μια δύναμη που εφαρμόζεται στο σωματίδιο. Αυτή η δύναμη τείνει να αλλάξει την κατεύθυνση κίνησης του σωματιδίου. Ένα μόνο κινούμενο σωματίδιο με ηλεκτρικό φορτίο προκαλεί την εμφάνιση Μαγνητικό πεδίο Bio-Savara.

Αν και το πεδίο Bio-Savart, αυστηρά μιλώντας, δημιουργείται μόνο από ένα απείρως μακρύ σύρμα στο οποίο κινούνται πολλά φορτισμένα σωματίδια, η διατομή του μαγνητικού πεδίου γύρω από την τροχιά ενός μεμονωμένου σωματιδίου που διέρχεται από αυτό το σωματίδιο έχει την ίδια κυκλική διαμόρφωση.

Ωστόσο, το πεδίο Bio-Savart είναι σταθερό τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο και το πεδίο ενός μεμονωμένου σωματιδίου που μετράται σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου αλλάζει καθώς το σωματίδιο κινείται.

Ο νόμος του Λόρεντς ορίζει τη δύναμη που ασκείται σε ένα κινούμενο ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο σε ένα μαγνητικό πεδίο:

F=kQB (dx/dt),

όπου B — το ηλεκτρικό φορτίο του σωματιδίου. B είναι η επαγωγή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στο οποίο κινείται το σωματίδιο. dx/dt — ταχύτητα σωματιδίων. F — η προκύπτουσα δύναμη στο σωματίδιο. k — σταθερά αναλογικότητας.

Το μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει την τροχιά του ηλεκτρονίου κατευθύνεται δεξιόστροφα όταν το βλέπουμε από την περιοχή που πλησιάζει το ηλεκτρόνιο. Υπό τις συνθήκες της κίνησης του ηλεκτρονίου, το μαγνητικό του πεδίο κατευθύνεται ενάντια στο εξωτερικό πεδίο, εξασθενώντας το στο κάτω μέρος της περιοχής που φαίνεται και συμπίπτει με το εξωτερικό πεδίο, ενισχύοντάς το στο πάνω μέρος.

Και οι δύο παράγοντες έχουν ως αποτέλεσμα μια καθοδική δύναμη που εφαρμόζεται στο ηλεκτρόνιο. Κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής που συμπίπτει με την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου, το μαγνητικό πεδίο του ηλεκτρονίου κατευθύνεται σε ορθή γωνία προς το εξωτερικό πεδίο. Με μια τέτοια αμοιβαία κάθετη κατεύθυνση των πεδίων, η αλληλεπίδρασή τους δεν δημιουργεί δυνάμεις.

Εν συντομία, Εάν ένα αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο κινείται από αριστερά προς τα δεξιά σε ένα επίπεδο και το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο κατευθύνεται από τον παρατηρητή στο βάθος του σχήματος, τότε η δύναμη Lorentz που εφαρμόζεται στο σωματίδιο κατευθύνεται από πάνω προς τα κάτω.

Δυνάμεις που δρουν σε ένα αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο του οποίου η τροχιά κατευθύνεται κάθετα στο διάνυσμα δύναμης του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου

Οι Δυνάμεις του Λόρενς

Ένα σύρμα που κινείται στο διάστημα διασχίζει τις γραμμές δύναμης του μαγνητικού πεδίου που υπάρχει σε αυτόν τον χώρο, ως αποτέλεσμα του οποίου ένα συγκεκριμένο μηχανικό πεδίο καταναγκασμού δρα στα ηλεκτρόνια μέσα στο σύρμα.

Η κίνηση των ηλεκτρονίων μέσω ενός μαγνητικού πεδίου συμβαίνει μαζί με το σύρμα.Αυτή η κίνηση μπορεί να περιοριστεί από τη δράση τυχόν δυνάμεων που εμποδίζουν την κίνηση του αγωγού. Ωστόσο, στην κατεύθυνση κίνησης του σύρματος, τα ηλεκτρόνια δεν επηρεάζονται από την ηλεκτρική αντίσταση.

Ανάμεσα στα δύο άκρα ενός τέτοιου σύρματος, δημιουργείται μια τάση Lorentz, η οποία είναι ανάλογη με την ταχύτητα κίνησης και τη μαγνητική επαγωγή. Οι δυνάμεις Lorentz μετακινούν ηλεκτρόνια κατά μήκος του σύρματος προς μία κατεύθυνση, με αποτέλεσμα περισσότερα ηλεκτρόνια να συσσωρεύονται στο ένα άκρο του σύρματος παρά στο άλλο.

Η τάση που δημιουργείται από αυτόν τον διαχωρισμό φορτίων τείνει να επαναφέρει τα ηλεκτρόνια σε μια ομοιόμορφη κατανομή και τελικά η ισορροπία δημιουργείται διατηρώντας μια ορισμένη τάση ανάλογη με την ταχύτητα του σύρματος. Εάν δημιουργήσετε συνθήκες όπου το ρεύμα μπορεί να ρέει στο καλώδιο, τότε θα δημιουργηθεί μια τάση στο κύκλωμα που είναι αντίθετη από την αρχική τάση Lorentz.

Η φωτογραφία δείχνει μια πειραματική διάταξη για την επίδειξη της δύναμης Lorentz. Αριστερή εικόνα: πώς φαίνεται Δεξιά: Εφέ δύναμης Lorentz. Ένα ηλεκτρόνιο πετά από το δεξί άκρο προς το αριστερό Η μαγνητική δύναμη διασχίζει τη διαδρομή πτήσης και εκτρέπει τη δέσμη ηλεκτρονίων προς τα κάτω.

Δεδομένου ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι μια διατεταγμένη κίνηση φορτίων, η επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα είναι το αποτέλεσμα της δράσης του σε μεμονωμένα κινούμενα φορτία.

Η κύρια εφαρμογή της δύναμης Lorentz είναι στις ηλεκτρικές μηχανές (γεννήτριες και κινητήρες).

Η δύναμη που ασκείται σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι ίση με το διανυσματικό άθροισμα των δυνάμεων Lorentz που δρουν σε κάθε φορέα φορτίου. Αυτή η δύναμη ονομάζεται δύναμη Ampere, δηλ.Η δύναμη αμπέρ είναι ίση με το άθροισμα όλων των δυνάμεων Lorentz που δρουν σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα. Κοίτα: Νόμος του Ampere

Γαλβανομαγνητικές επιδράσεις

Διάφορες συνέπειες της δράσης των δυνάμεων Lorentz, που προκαλούν απόκλιση της τροχιάς αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων - ηλεκτρονίων, ενώ κινούνται μέσα από στερεά, ονομάζονται γαλβανομαγνητικά φαινόμενα.

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει σε ένα συμπαγές σύρμα τοποθετημένο σε μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια που μεταφέρουν αυτό το ρεύμα εκτρέπονται σε κατεύθυνση κάθετη τόσο προς την κατεύθυνση του ρεύματος όσο και προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Όσο πιο γρήγορα κινούνται τα ηλεκτρόνια, τόσο περισσότερο εκτρέπονται.

Ως αποτέλεσμα της εκτροπής των ηλεκτρονίων, δημιουργούνται διαβαθμίσεις ηλεκτρικού δυναμικού σε κατευθύνσεις κάθετες προς την κατεύθυνση του ρεύματος. Λόγω του γεγονότος ότι τα ταχύτερα κινούμενα ηλεκτρόνια εκτρέπονται περισσότερο από τα πιο αργά κινούμενα, προκύπτουν θερμικές διαβαθμίσεις, επίσης κάθετες στην κατεύθυνση του ρεύματος.

Έτσι, τα γαλβανομαγνητικά φαινόμενα περιλαμβάνουν ηλεκτρικά και θερμικά φαινόμενα.

Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν υπό την επίδραση εξαναγκαστικών ηλεκτρικών, θερμικών και χημικών πεδίων, τα γαλβανομαγνητικά φαινόμενα ταξινομούνται τόσο από τον τύπο του πεδίου εξαναγκασμού όσο και από τη φύση των φαινομένων που προκύπτουν - θερμικά ή ηλεκτρικά.

Ο όρος "γαλβανομαγνητικό" αναφέρεται μόνο σε ορισμένα φαινόμενα που παρατηρούνται σε στερεά, όπου το μόνο είδος σωματιδίων που μπορούν να κινηθούν σε οποιαδήποτε αξιόλογη ποσότητα είναι τα ηλεκτρόνια, που λειτουργούν είτε ως "ελεύθεροι παράγοντες" είτε ως παράγοντες για το σχηματισμό των λεγόμενων οπών.Επομένως, τα γαλβανομαγνητικά φαινόμενα ταξινομούνται επίσης ανάλογα με τον τύπο του φορέα που εμπλέκεται σε αυτά - ελεύθερα ηλεκτρόνια ή οπές.

Μία από τις εκδηλώσεις της θερμικής ενέργειας είναι η συνεχής κίνηση ενός μέρους των ηλεκτρονίων οποιασδήποτε στερεάς ουσίας κατά μήκος τυχαίας κατευθυνόμενης τροχιάς και σε τυχαίες ταχύτητες. Εάν αυτές οι κινήσεις έχουν εντελώς τυχαία χαρακτηριστικά, τότε το άθροισμα όλων των μεμονωμένων κινήσεων των ηλεκτρονίων είναι μηδέν και είναι αδύνατο να ανιχνευθούν τυχόν συνέπειες των αποκλίσεων των μεμονωμένων σωματιδίων υπό την επίδραση των δυνάμεων Lorentz.

Εάν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα, μεταφέρεται από έναν ορισμένο αριθμό φορτισμένων σωματιδίων ή φορέων που κινούνται προς την ίδια ή την ίδια κατεύθυνση.

Στα στερεά, το ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει ως αποτέλεσμα της υπέρθεσης κάποιας γενικής μονοκατευθυντικής κίνησης στην αρχική τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων. Σε αυτή την περίπτωση, η δραστηριότητα των ηλεκτρονίων είναι εν μέρει μια τυχαία απόκριση στην επίδραση της θερμικής ενέργειας και εν μέρει μια μονοκατευθυντική απόκριση στο φαινόμενο που δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα.

Μια δέσμη ηλεκτρονίων που κινείται σε μια κυκλική τροχιά σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Το μωβ φως που δείχνει τη διαδρομή ενός ηλεκτρονίου σε αυτόν τον σωλήνα δημιουργείται από τη σύγκρουση ηλεκτρονίων με μόρια αερίου.

Αν και οποιαδήποτε κίνηση ηλεκτρονίων ανταποκρίνεται στη δράση των δυνάμεων Lorentz, μόνο εκείνες οι κινήσεις που συμβάλλουν στη μεταφορά ρεύματος αντανακλώνται στα γαλβανομαγνητικά φαινόμενα.

Έτσι, τα γαλβανομαγνητικά φαινόμενα είναι μια από τις συνέπειες της τοποθέτησης ενός στερεού σώματος σε ένα μαγνητικό πεδίο και της προσθήκης μονοκατευθυντικής κίνησης στην κίνηση των ηλεκτρονίων του, η οποία στις αρχικές συνθήκες ήταν τυχαία. Ένα από τα αποτελέσματα αυτού του συνδυασμού συνθηκών είναι η εμφάνιση βαθμίδων πληθυσμού των σωματιδίων φορέα σε διεύθυνση κάθετη στη μονής κατεύθυνσης κίνησή τους.

Οι δυνάμεις Lorentz τείνουν να μετακινούν όλους τους φορείς στη μία πλευρά του σύρματος. Δεδομένου ότι οι φορείς είναι φορτισμένα σωματίδια, τέτοιες διαβαθμίσεις του πληθυσμού τους δημιουργούν επίσης κλίσεις ηλεκτρικού δυναμικού που εξισορροπούν τις δυνάμεις Lorentz και μπορούν οι ίδιοι να διεγείρουν ένα ηλεκτρικό ρεύμα.

Παρουσία ενός τέτοιου ρεύματος, δημιουργείται μια ισορροπία τριών συστατικών μεταξύ των δυνάμεων Lorentz, των γαλβανομαγνητικών τάσεων και των ωμικών τάσεων.

Η τυχαία κίνηση των ηλεκτρονίων υποστηρίζεται από θερμική ενέργεια, η οποία καθορίζεται από τη θερμοκρασία μιας ουσίας. Η ενέργεια που απαιτείται για να διατηρηθεί η κίνηση των σωματιδίων προς μία κατεύθυνση πρέπει να προέρχεται από άλλη πηγή. Αυτό το τελευταίο δεν μπορεί να σχηματιστεί μέσα στην ίδια την ουσία, εάν βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας, η ενέργεια πρέπει να προέρχεται από το περιβάλλον.

Έτσι, η γαλβανομαγνητική μετατροπή σχετίζεται με ηλεκτρικά φαινόμενα που είναι συνέπεια της εμφάνισης κλίσεων πληθυσμού φορέα. τέτοιες βαθμίδες δημιουργούνται στα στερεά όταν τοποθετούνται σε μαγνητικό πεδίο και υπόκεινται σε διάφορες επιρροές από το εξωτερικό περιβάλλον, προκαλώντας μια γενική μονοκατευθυντική κίνηση των φορέων των οποίων η κίνηση στις αρχικές συνθήκες είναι τυχαία.

Ταξινόμηση γαλβανομαγνητικών επιδράσεων

Έξι κύρια γαλβανομαγνητικά φαινόμενα είναι γνωστά:

1.Εφέ αίθουσας — την εμφάνιση κλίσεων του ηλεκτρικού δυναμικού ως αποτέλεσμα της απόκλισης των φορέων κατά την κίνησή τους υπό την επίδραση του εξαναγκασμού ηλεκτρικού πεδίου. Στην περίπτωση αυτή, οι οπές και τα ηλεκτρόνια κινούνται ταυτόχρονα ή μεμονωμένα σε αντίθετες κατευθύνσεις και επομένως αποκλίνουν προς την ίδια κατεύθυνση.

Κοίτα - Εφαρμογές αισθητήρων Hall

2. Εφέ νερστ — την εμφάνιση κλίσεων ηλεκτρικού δυναμικού ως αποτέλεσμα της εκτροπής των φορέων κατά την κίνησή τους υπό την επίδραση εξαναγκασμένου θερμικού πεδίου, ενώ οι οπές και τα ηλεκτρόνια κινούνται ταυτόχρονα ή χωριστά στην ίδια κατεύθυνση και επομένως αποκλίνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις.

3. Φωτοηλεκτρομαγνητικά και μηχανοηλεκτρομαγνητικά αποτελέσματα — την εμφάνιση κλίσεων του ηλεκτρικού δυναμικού ως αποτέλεσμα της απόκλισης των φορέων κατά την κίνησή τους υπό την επίδραση του χημικού πεδίου εξαναγκασμού (κλίσεις του πληθυσμού των σωματιδίων). Σε αυτή την περίπτωση, οι οπές και τα ηλεκτρόνια που σχηματίζονται σε ζεύγη κινούνται μαζί προς την ίδια κατεύθυνση και επομένως αποκλίνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις.

4. Οι επιπτώσεις του Ettingshausen και της Riga — Leduc — την εμφάνιση θερμικών κλίσεων ως αποτέλεσμα της εκτροπής του φορέα, όταν οι θερμοί φορείς εκτρέπονται σε μεγαλύτερο βαθμό από τους ψυχρούς. Εάν οι θερμικές διαβαθμίσεις εμφανίζονται σε σχέση με τα φαινόμενα Hall, τότε αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Ettingshausen, εάν συμβαίνουν σε σχέση με το φαινόμενο Nernst, τότε το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Rigi-Leduc.

5. Αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης ως αποτέλεσμα της εκτροπής των φορέων κατά την κίνησή τους υπό την επίδραση ενός κινούμενου ηλεκτρικού πεδίου. Εδώ, ταυτόχρονα, παρατηρείται μείωση της πραγματικής επιφάνειας διατομής του αγωγού λόγω της μετατόπισης των φορέων στη μία πλευρά του και μείωση της απόστασης που διανύουν οι φορείς προς την κατεύθυνση του ρεύμα λόγω της επέκτασης της διαδρομής τους λόγω της κίνησης κατά μήκος καμπύλης αντί για ευθεία.

6. Αύξηση της θερμικής αντίστασης ως αποτέλεσμα αλλαγής συνθηκών παρόμοιων με τις παραπάνω.

Αισθητήρας εφέ Hall

Τα κύρια συνδυασμένα αποτελέσματα εμφανίζονται σε δύο περιπτώσεις:

• όταν δημιουργούνται συνθήκες για τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος υπό την επίδραση δυνητικών κλίσεων που προκύπτουν από τα παραπάνω φαινόμενα.
• όταν δημιουργούνται συνθήκες σχηματισμού θερμικής ροής υπό την επίδραση θερμικών κλίσεων που προκύπτουν από τα παραπάνω φαινόμενα.

Επιπλέον, είναι γνωστά συνδυασμένα φαινόμενα, στα οποία ένα από τα γαλβανομαγνητικά αποτελέσματα συνδυάζεται με ένα ή περισσότερα μη γαλβανομαγνητικά αποτελέσματα.

1. Θερμικές επιδράσεις:

• αλλαγές στην κινητικότητα του φορέα λόγω αλλαγών θερμοκρασίας.
• Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών αλλάζει σε διάφορους βαθμούς ανάλογα με τη θερμοκρασία.
• Μεταβολές του πληθυσμού των φορέων λόγω μεταβολών της θερμοκρασίας.
• οι πληθυσμοί ηλεκτρονίων και οπών αλλάζουν σε διάφορους βαθμούς λόγω μεταβολών της θερμοκρασίας.

2. Επιδράσεις της ανισοτροπίας. Τα ανισότροπα χαρακτηριστικά των κρυσταλλικών ουσιών αλλοιώνουν τα αποτελέσματα του φαινομένου που θα παρατηρούνταν με τα ισότροπα χαρακτηριστικά.

3. Θερμοηλεκτρικά αποτελέσματα:

• Οι θερμικές κλίσεις λόγω του διαχωρισμού των θερμών και ψυχρών μέσων δημιουργούν θερμοηλεκτρικά αποτελέσματα.
• Τα θερμοηλεκτρικά φαινόμενα ενισχύονται ως αποτέλεσμα της μεροληψίας του φορέα, το χημικό δυναμικό ανά μονάδα όγκου της ουσίας αλλάζει λόγω αλλαγής στον πληθυσμό του φορέα (επιδράσεις Nerst).

4. Σιδηρομαγνητικά αποτελέσματα. Η κινητικότητα του φορέα στις σιδηρομαγνητικές ουσίες εξαρτάται από την απόλυτη ισχύ και κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου (όπως στο φαινόμενο Gaussian).

5. Επιρροή διαστάσεων. Εάν το σώμα έχει μεγάλες διαστάσεις σε σύγκριση με τις τροχιές των ηλεκτρονίων, τότε οι ιδιότητες της ουσίας σε όλο τον όγκο του σώματος έχουν κυρίαρχη επίδραση στη δραστηριότητα των ηλεκτρονίων. Εάν οι διαστάσεις του σώματος είναι μικρές σε σύγκριση με τις τροχιές των ηλεκτρονίων, τότε μπορεί να κυριαρχούν τα επιφανειακά φαινόμενα.

6. Η επιρροή των ισχυρών πεδίων. Τα γαλβανομαγνητικά φαινόμενα εξαρτώνται από το πόσο καιρό ταξιδεύουν οι φορείς κατά μήκος της τροχιάς του κυκλοτρονίου τους. Σε ισχυρά μαγνητικά πεδία, οι φορείς μπορούν να διανύσουν μια σημαντική απόσταση κατά μήκος αυτής της διαδρομής. Ο συνολικός αριθμός των διαφορετικών πιθανών γαλβανομαγνητικών επιδράσεων είναι πάνω από διακόσιες, αλλά στην πραγματικότητα καθένα από αυτά μπορεί να ληφθεί συνδυάζοντας τα φαινόμενα που αναφέρονται παραπάνω.

Δείτε επίσης: Ηλεκτρισμός και μαγνητισμός, βασικοί ορισμοί, τύποι κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων