Lawrence-kracht en galvanomagnetische effecten

Krachten uitgeoefend op bewegende geladen deeltjes

Als een elektrisch geladen deeltje in een omringend magnetisch veld beweegt, werken het interne magnetische veld van dat bewegende deeltje en het omringende veld samen, waardoor een kracht op het deeltje wordt uitgeoefend. Deze kracht heeft de neiging om de bewegingsrichting van het deeltje te veranderen. Een enkel bewegend deeltje met een elektrische lading veroorzaakt de verschijning Bio-Savara magnetisch veld.

Hoewel het Bio-Savart-veld strikt genomen alleen wordt gegenereerd door een oneindig lange draad waarin veel geladen deeltjes bewegen, heeft de dwarsdoorsnede van het magnetische veld rond de baan van een individueel deeltje dat door dat deeltje gaat dezelfde cirkelvormige configuratie.

Het Bio-Savart-veld is echter constant in zowel ruimte als tijd, en het veld van een individueel deeltje, gemeten op een bepaald punt in de ruimte, verandert naarmate het deeltje beweegt.

De wet van Lorentz definieert de kracht die werkt op een bewegend elektrisch geladen deeltje in een magnetisch veld:

F=kQB (dx/dt),

waarin B — de elektrische lading van het deeltje; B is de inductie van het externe magnetische veld waarin het deeltje beweegt; dx/dt — snelheid van deeltjes; F — de resulterende kracht op het deeltje; k — evenredigheidsconstante.

Het magnetische veld dat de baan van het elektron omringt, is met de klok mee gericht, gezien vanuit het gebied dat het elektron nadert. Onder de omstandigheden van de beweging van het elektron is zijn magnetische veld gericht tegen het externe veld, waardoor het verzwakt in het onderste deel van het getoonde gebied, en valt het samen met het externe veld, waardoor het wordt versterkt in het bovenste gedeelte.

Beide factoren resulteren in een neerwaartse kracht die op het elektron wordt uitgeoefend. Langs een rechte lijn die samenvalt met de richting van het externe veld, staat het magnetische veld van het elektron loodrecht op het externe veld. Bij zo'n onderling loodrechte richting van de velden wekt hun interactie geen krachten op.

In het kort, als een negatief geladen deeltje in een vlak van links naar rechts beweegt en het externe magnetische veld door de waarnemer wordt gericht op de diepte van het schema, dan wordt de Lorentzkracht die op het deeltje wordt uitgeoefend van boven naar beneden gericht.

Krachten die werken op een negatief geladen deeltje waarvan de baan loodrecht op de krachtvector van het externe magnetische veld staat

Lawrence's krachten

Een in de ruimte bewegende draad doorkruist de krachtlijnen van het in deze ruimte aanwezige magnetische veld, waardoor een bepaald mechanisch dwangveld inwerkt op de elektronen in de draad.

De beweging van elektronen door een magnetisch veld vindt samen met de draad plaats.Deze beweging kan worden beperkt door de werking van krachten die de beweging van de geleider belemmeren; in de looprichting van de draad worden de elektronen echter niet beïnvloed door elektrische weerstand.

Tussen de twee uiteinden van zo'n draad wordt een Lorentz-spanning opgewekt, die evenredig is met de bewegingssnelheid en de magnetische inductie. Lorentz-krachten verplaatsen elektronen langs de draad in één richting, wat resulteert in meer elektronen die zich ophopen aan het ene uiteinde van de draad dan aan het andere.

De spanning die wordt gegenereerd door deze scheiding van ladingen heeft de neiging om de elektronen terug te brengen naar een uniforme verdeling en uiteindelijk wordt een evenwicht tot stand gebracht terwijl een bepaalde spanning wordt gehandhaafd die evenredig is met de snelheid van de draad. Als je condities creëert waarbij stroom door de draad kan lopen, dan ontstaat er een spanning in het circuit die tegengesteld is aan de originele Lorentz-spanning.

De foto toont een experimentele opstelling om de Lorentzkracht te demonstreren. Afbeelding links: hoe het eruit ziet Rechts: Lorentz-krachteffect. Een elektron vliegt van het rechteruiteinde naar links.De magnetische kracht kruist de vliegbaan en buigt de elektronenbundel naar beneden af.

Aangezien een elektrische stroom een ​​geordende beweging van ladingen is, is het effect van een magnetisch veld op een stroomvoerende geleider het resultaat van zijn werking op individuele bewegende ladingen.

De Lorentzkracht wordt voornamelijk toegepast in elektrische machines (generatoren en motoren).

De kracht die op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld werkt, is gelijk aan de vectorsom van de Lorentz-krachten die op elke ladingsdrager werken. Deze kracht wordt de kracht van Ampère genoemd, d.w.z.De ampèrekracht is gelijk aan de som van alle Lorentz-krachten die op een stroomvoerende geleider werken. Kijk: De wet van Ampere

Galvanomagnetische effecten

Verschillende gevolgen van de werking van Lorentz-krachten, die een afwijking veroorzaken van het traject van negatief geladen deeltjes - elektronen, terwijl ze door vaste stoffen bewegen, worden galvanomagnetische effecten genoemd.

Wanneer een elektrische stroom vloeit in een massieve draad die in een magnetisch veld is geplaatst, worden de elektronen die die stroom voeren afgebogen in een richting loodrecht op zowel de richting van de stroom als de richting van het magnetische veld. Hoe sneller de elektronen bewegen, hoe meer ze worden afgebogen.

Door de afbuiging van de elektronen ontstaan ​​gradiënten van elektrische potentiaal in richtingen loodrecht op de richting van de stroom. Doordat de sneller bewegende elektronen meer worden afgebogen dan de langzamer bewegende, ontstaan ​​thermische gradiënten, ook loodrecht op de stroomrichting.

Galvanomagnetische effecten omvatten dus elektrische en thermische verschijnselen.

Aangezien elektronen kunnen bewegen onder invloed van dwingende elektrische, thermische en chemische velden, worden galvanomagnetische effecten zowel geclassificeerd op basis van het type dwingend veld als op de aard van de resulterende fenomenen - thermisch of elektrisch.

De term "galvanomagnetisch" verwijst alleen naar bepaalde fenomenen die worden waargenomen in vaste stoffen, waarbij de enige soort deeltjes die in enige aanzienlijke hoeveelheid kunnen bewegen, elektronen zijn, die functioneren als "vrije middelen" of als middelen voor de vorming van zogenaamde gaten.Daarom worden galvanomagnetische verschijnselen ook geclassificeerd afhankelijk van het type drager dat erbij betrokken is - vrije elektronen of gaten.

Een van de manifestaties van warmte-energie is de continue beweging van een deel van de elektronen van een vaste stof langs willekeurig gerichte trajecten en met willekeurige snelheden. Als deze bewegingen volledig willekeurige kenmerken hebben, dan is de som van alle individuele bewegingen van de elektronen nul en is het onmogelijk om eventuele gevolgen van de afwijkingen van individuele deeltjes onder invloed van Lorentz-krachten te detecteren.

Als er een elektrische stroom is, wordt deze gedragen door een bepaald aantal geladen deeltjes of dragers die in dezelfde of dezelfde richting bewegen.

In vaste stoffen ontstaat de elektrische stroom als gevolg van de superpositie van een algemene unidirectionele beweging op de oorspronkelijke willekeurige beweging van elektronen. In dit geval is de elektronenactiviteit deels een willekeurige reactie op het effect van thermische energie en deels een unidirectionele reactie op het effect dat een elektrische stroom genereert.

Een bundel elektronen beweegt in een cirkelvormige baan in een constant magnetisch veld. Het paarse licht dat de baan van een elektron in deze buis laat zien, ontstaat door de botsing van elektronen met gasmoleculen.

Hoewel elke beweging van elektronen reageert op de werking van Lorentz-krachten, worden alleen die bewegingen die bijdragen aan de overdracht van stroom weerspiegeld in galvanomagnetische verschijnselen.

Galvanomagnetische verschijnselen zijn dus een van de gevolgen van het plaatsen van een vast lichaam in een magnetisch veld en het toevoegen van beweging in één richting aan de beweging van zijn elektronen, die onder de oorspronkelijke omstandigheden willekeurig van aard was.Een van de resultaten van deze combinatie van omstandigheden is de verschijning van populatiegradiënten van de dragerdeeltjes in een richting loodrecht op hun unidirectionele beweging.

Lorentzkrachten hebben de neiging om alle dragers naar één kant van de draad te verplaatsen. Aangezien de dragers geladen deeltjes zijn, creëren dergelijke gradiënten van hun populatie ook gradiënten van elektrische potentiaal die de Lorentz-krachten in evenwicht brengen en zelf een elektrische stroom kunnen opwekken.

In aanwezigheid van een dergelijke stroom wordt een driecomponentenevenwicht tot stand gebracht tussen Lorentz-krachten, galvanomagnetische spanningen en weerstandsspanningen.

De willekeurige beweging van elektronen wordt ondersteund door thermische energie, die wordt bepaald door de temperatuur van een stof. De energie die nodig is om de deeltjes in één richting te laten bewegen, moet van een andere bron komen. Dit laatste kan niet in de stof zelf worden gevormd, als deze in een evenwichtstoestand verkeert, moet de energie uit de omgeving komen.

Galvanomagnetische conversie houdt dus verband met elektrische verschijnselen die een gevolg zijn van het verschijnen van dragerpopulatiegradiënten; dergelijke gradiënten komen tot stand in vaste stoffen wanneer ze in een magnetisch veld worden geplaatst en worden onderworpen aan verschillende invloeden van de externe omgeving, waardoor een algemene unidirectionele beweging van dragers ontstaat waarvan de beweging in de begincondities willekeurig is.

Classificatie van galvanomagnetische effecten

Er zijn zes belangrijke galvanomagnetische effecten bekend:

1.Hall-effecten — het verschijnen van gradiënten van de elektrische potentiaal als gevolg van de afwijking van de dragers tijdens hun beweging onder invloed van het dwingende elektrische veld. In dit geval bewegen gaten en elektronen tegelijkertijd of afzonderlijk in tegengestelde richtingen en wijken dus in dezelfde richting af.

Kijk - Hall-sensor toepassingen

2. Nest-effecten — het ontstaan ​​van elektrische potentiaalgradiënten als gevolg van de afbuiging van de dragers tijdens hun beweging onder invloed van een geforceerd thermisch veld, terwijl de gaten en elektronen gelijktijdig of afzonderlijk in dezelfde richting bewegen en daardoor in tegengestelde richting afwijken.

3. Foto-elektromagnetische en mechano-elektromagnetische effecten — het verschijnen van gradiënten van de elektrische potentiaal als gevolg van de afwijking van de dragers tijdens hun beweging onder invloed van het dwingende chemische veld (gradiënten van de deeltjespopulatie). In dit geval bewegen de in paren gevormde gaten en elektronen samen in dezelfde richting en wijken daarom in tegengestelde richtingen af.

4. De gevolgen van Ettingshausen en Riga — Leduc — het optreden van thermische gradiënten als gevolg van doorbuiging van de drager, wanneer hete dragers meer worden afgebogen dan koude. Als de thermische gradiënten optreden in verband met de Hall-effecten, wordt dit fenomeen het Ettingshausen-effect genoemd, als ze optreden in verband met het Nernst-effect, wordt het fenomeen het Rigi-Leduc-effect genoemd.

5. Toename van elektrische weerstand als gevolg van afbuiging van dragers tijdens hun beweging onder invloed van een aandrijvend elektrisch veld. Hier is er tegelijkertijd een afname van het effectieve dwarsdoorsnede-oppervlak van de geleider als gevolg van de verschuiving van de dragers naar één kant ervan en een afname van de afstand die de dragers afleggen in de richting van de stroom vanwege de verlenging van hun pad als gevolg van het bewegen langs een gebogen pad in plaats van een recht pad.

6. Verhoging van de thermische weerstand als gevolg van veranderende omstandigheden zoals hierboven beschreven.

Hall-effectsensor

De belangrijkste gecombineerde effecten treden in twee gevallen op:

• wanneer voorwaarden worden gecreëerd voor de stroom van elektrische stroom onder invloed van potentiële gradiënten als gevolg van de bovengenoemde verschijnselen;
• wanneer voorwaarden worden gecreëerd voor de vorming van een warmtestroom onder invloed van thermische gradiënten die het gevolg zijn van de bovengenoemde verschijnselen.

Daarnaast zijn gecombineerde effecten bekend, waarbij één van de galvanomagnetische effecten wordt gecombineerd met één of meer niet-galvanomagnetische effecten.

1. Thermische effecten:

• veranderingen in de mobiliteit van dragers als gevolg van temperatuurveranderingen;
• elektronen- en gatenmobiliteiten veranderen in verschillende mate afhankelijk van de temperatuur;
• veranderingen in de populatie van dragers als gevolg van temperatuurveranderingen;
• de elektronen- en gatenpopulaties veranderen in verschillende mate als gevolg van temperatuurveranderingen.

2. Effecten van anisotropie. De anisotrope kenmerken van kristallijne stoffen veranderen de resultaten van het fenomeen dat zou worden waargenomen met isotrope kenmerken.

3. Thermo-elektrische effecten:

• thermische gradiënten als gevolg van de scheiding van warme en koude media genereren thermo-elektrische effecten;
• thermo-elektrische effecten worden versterkt als gevolg van dragerbias, het chemische potentieel per volume-eenheid van de stof verandert als gevolg van een verandering in de dragerpopulatie (Nerst-effecten).

4. Ferromagnetische effecten. De mobiliteit van dragers in ferromagnetische stoffen hangt af van de absolute sterkte en richting van het magnetische veld (zoals bij het Gauss-effect).

5. Invloed van afmetingen. Als het lichaam grote afmetingen heeft in vergelijking met de elektronenbanen, dan hebben de eigenschappen van de stof door het hele volume van het lichaam een ​​overheersend effect op de elektronenactiviteit. Als de afmetingen van het lichaam klein zijn in vergelijking met de elektronenbanen, kunnen oppervlakte-effecten overheersen.

6. De invloed van sterke velden. Galvanomagnetische verschijnselen zijn afhankelijk van hoe lang de dragers langs hun cyclotronbaan reizen. In sterke magnetische velden kunnen de dragers over dit pad een aanzienlijke afstand afleggen. Het totale aantal verschillende mogelijke galvanomagnetische effecten is meer dan tweehonderd, maar in feite kunnen ze allemaal worden verkregen door de hierboven genoemde verschijnselen te combineren.

Zie ook: Elektriciteit en magnetisme, basisdefinities, soorten bewegende geladen deeltjes