Lawrence'i jõud ja galvanomagnetilised efektid

Laetud osakeste liigutamisele rakendatavad jõud

Kui elektriliselt laetud osake liigub ümbritsevas magnetväljas, siis selle liikuva osakese sisemine magnetväli ja ümbritsev väli interakteeruvad, tekitades osakesele rakendatava jõu. See jõud kipub muutma osakese liikumissuunda. Üksik liikuv elektrilaenguga osake põhjustab välimuse Bio-Savara magnetväli.

Kuigi rangelt võttes tekitab Bio-Savart välja ainult lõpmatult pikk juhe, milles liigub palju laetud osakesi, on seda osakest läbiva üksiku osakese trajektoori ümber paikneva magnetvälja ristlõige sama ümmarguse konfiguratsiooniga.

Bio-Savarti väli on aga konstantne nii ruumis kui ajas ning konkreetses ruumipunktis mõõdetud üksikosakese väli muutub osakese liikumisel.

Lorentzi seadus määratleb jõu, mis mõjub magnetväljas liikuvale elektriliselt laetud osakesele:

F=kQB (dx/dt),

kus B — osakese elektrilaeng; B on välise magnetvälja induktsioon, milles osake liigub; dx/dt — osakeste kiirus; F — osakesele mõjuv jõud; k — proportsionaalsuse konstant.

Elektroni lähenemispiirkonnast vaadatuna on elektroni trajektoori ümbritsev magnetväli suunatud päripäeva. Elektroni liikumise tingimustes on selle magnetväli suunatud välisvälja vastu, nõrgendades seda näidatud piirkonna alumises osas ja ühtib välisväljaga, tugevdades seda ülemises osas.

Mõlemad tegurid põhjustavad elektronile allapoole suunatud jõudu. Mööda sirgjoont, mis langeb kokku välisvälja suunaga, on elektroni magnetväli suunatud välisvälja suhtes täisnurga all. Sellise vastastikku risti asetseva väljade suuna korral ei tekita nende koostoime mingeid jõude.

Lühidalt, kui negatiivselt laetud osake liigub tasapinnas vasakult paremale ja välise magnetvälja suunab vaatleja skeemi sügavusele, siis osakesele rakendatav Lorentzi jõud on suunatud ülevalt alla.

Jõud, mis mõjutavad negatiivselt laetud osakest, mille trajektoor on suunatud välise magnetvälja jõuvektoriga risti

Lawrence'i jõud

Ruumis liikuv traat ületab selles ruumis eksisteeriva magnetvälja jõujooned, mille tulemusena mõjub traadi sees olevatele elektronidele teatav mehaaniline sundväli.

Elektronide liikumine läbi magnetvälja toimub koos juhtmega.Seda liikumist võivad piirata mis tahes juhi liikumist takistavad jõud; traadi liikumissuunas aga elektronidele elektritakistus ei mõju.

Sellise juhtme kahe otsa vahele tekib Lorentzi pinge, mis on võrdeline liikumiskiiruse ja magnetinduktsiooniga. Lorentzi jõud liigutavad elektrone piki traati ühes suunas, mille tulemusena koguneb juhtme ühte otsa rohkem elektrone kui teise.

Laengute eraldamisel tekkiv pinge viib elektronid tagasi ühtlasele jaotusele ja lõpuks saavutatakse tasakaal, säilitades samal ajal teatud pinge, mis on võrdeline traadi kiirusega. Kui loote tingimused, kus vool saab juhtmes voolata, luuakse ahelas pinge, mis on vastupidine algsele Lorentzi pingele.

Foto näitab eksperimentaalset seadistust Lorentzi jõu demonstreerimiseks. Vasakpoolne pilt: kuidas see välja näeb Paremal: Lorentzi jõuefekt. Elektron lendab paremast otsast vasakule Magnetjõud läbib lennutrajektoori ja suunab elektronkiire allapoole.

Kuna elektrivool on laengute korrapärane liikumine, tuleneb magnetvälja mõju voolu juhtivale juhile selle toimest üksikutele liikuvatele laengutele.

Lorentzi jõu peamine rakendusala on elektrimasinates (generaatorid ja mootorid).

Magnetväljas voolu juhtivale juhile mõjuv jõud on võrdne igale laengukandjale mõjuvate Lorentzi jõudude vektorsummaga. Seda jõudu nimetatakse Ampere'i jõuks, st.Amperjõud võrdub kõigi voolu juhtivale juhile mõjuvate Lorentzi jõudude summaga. Vaata: Ampere'i seadus

Galvanomagnetilised efektid

Lorentzi jõudude toime erinevaid tagajärgi, mis põhjustavad negatiivselt laetud osakeste trajektoori kõrvalekaldeid - elektronid, liikudes läbi tahkete ainete, nimetatakse galvanomagnetilisteks efektideks.

Kui magnetvälja asetatud tahkes juhtmes liigub elektrivool, kalduvad seda voolu kandvad elektronid nii voolu suuna kui ka magnetvälja suunaga risti. Mida kiiremini elektronid liiguvad, seda rohkem nad kõrvale kalduvad.

Elektronide läbipainde tulemusena tekivad elektripotentsiaali gradiendid suundades, mis on voolu suunaga risti. Tänu sellele, et kiiremini liikuvad elektronid kalduvad rohkem kõrvale kui aeglasemalt liikuvad elektronid, tekivad termilised gradiendid, ka voolu suunaga risti.

Seega hõlmavad galvanomagnetilised mõjud elektrilisi ja soojuslikke nähtusi.

Arvestades, et elektronid võivad liikuda sundivate elektri-, termiliste ja keemiliste väljade mõjul, klassifitseeritakse galvanomagnetilisi mõjusid nii sundvälja tüübi kui ka tekkivate nähtuste olemuse järgi - termiline või elektriline.

Mõiste "galvanomagnetiline" viitab ainult teatud nähtustele, mida täheldatakse tahketes ainetes, kus ainsad osakeste tüübid, mis on võimelised liikuma märkimisväärses koguses, on elektronid, mis toimivad kas "vabade ainetena" või nn aukude moodustamise agensitena.Seetõttu klassifitseeritakse galvanomagnetilisi nähtusi ka nendes esineva kandja tüübi järgi — vabad elektronid või augud.

Soojusenergia üheks ilminguks on mis tahes tahke aine elektronide osa pidev liikumine mööda juhuslikult suunatud trajektoore ja juhusliku kiirusega. Kui nendel liikumistel on täiesti juhuslikud omadused, siis on elektronide kõigi üksikute liikumiste summa null ja üksikute osakeste kõrvalekallete tagajärgi Lorentzi jõudude mõjul on võimatu tuvastada.

Kui on elektrivool, kannab seda teatud arv laetud osakesi või kandjaid, mis liiguvad samas või samas suunas.

Tahketes kehades tekib elektrivool mingi üldise ühesuunalise liikumise superpositsiooni tulemusena elektronide algsele juhuslikule liikumisele. Sel juhul on elektronide aktiivsus osaliselt juhuslik reaktsioon soojusenergia mõjule ja osaliselt ühesuunaline reaktsioon elektrivoolu tekitavale efektile.

Konstantsel magnetväljal ringorbiidil liikuv elektronkiir. Lilla valgus, mis näitab elektroni teed selles torus, tekib elektronide kokkupõrkel gaasimolekulidega.

Kuigi igasugune elektronide liikumine reageerib Lorentzi jõudude toimele, peegelduvad galvanomagnetilistes nähtustes ainult need liikumised, mis aitavad kaasa voolu ülekandele.

Niisiis, galvanomagnetilised nähtused on tahke keha magnetvälja asetamise ja selle elektronide liikumisele ühesuunalise liikumise lisamise üks tagajärg, mis algtingimustes oli olemuselt juhuslik. Selle tingimuste kombinatsiooni üheks tulemuseks on kandeosakeste populatsiooni gradientide ilmumine nende ühesuunalise liikumisega risti.

Lorentzi jõud kipuvad liigutama kõik kandjad traadi ühele küljele. Kuna kandjad on laetud osakesed, tekitavad sellised nende populatsiooni gradiendid ka elektripotentsiaali gradiente, mis tasakaalustavad Lorentzi jõude ja võivad ise ergutada elektrivoolu.

Sellise voolu olemasolul luuakse kolmekomponendiline tasakaal Lorentzi jõudude, galvanomagnetiliste pingete ja takistuspingete vahel.

Elektronide juhuslikku liikumist toetab soojusenergia, mille määrab aine temperatuur. Osakeste ühes suunas liikumiseks vajalik energia peab tulema teisest allikast. Seda viimast ei saa aine enda sees tekkida, kui see on tasakaaluseisundis, peab energia tulema keskkonnast.

Seega on galvanomagnetiline muundamine seotud elektriliste nähtustega, mis on kandjapopulatsiooni gradientide ilmnemise tagajärg; sellised gradiendid tekivad tahkistes, kui need asetatakse magnetvälja ja allutatakse erinevatele väliskeskkonna mõjudele, põhjustades kandjate üldise ühesuunalise liikumise, mille liikumine algtingimustes on juhuslik.

Galvanomagnetiliste efektide klassifikatsioon

Tuntud on kuus peamist galvanomagnetilist efekti:

1.Saali efektid - elektripotentsiaali gradientide ilmnemine kandjate kõrvalekalde tõttu nende liikumisel sundiva elektrivälja mõjul. Sel juhul liiguvad augud ja elektronid samaaegselt või üksikult vastassuundades ja seetõttu kalduvad kõrvale samas suunas.

Vaata - Halli andurite rakendused

2. Nersti efektid — elektrilise potentsiaali gradientide ilmnemine kandjate läbipainde tagajärjel nende liikumisel sunnitud soojusvälja mõjul, samal ajal kui augud ja elektronid liiguvad samaaegselt või eraldi samas suunas ja seetõttu kalduvad kõrvale vastassuundades.

3. Fotoelektromagnetilised ja mehhaanilised elektromagnetilised mõjud - elektripotentsiaali gradientide ilmnemine kandjate kõrvalekalde tõttu nende liikumisel sundiva keemilise välja mõjul (osakeste populatsiooni gradiendid). Sel juhul liiguvad paarikaupa moodustunud augud ja elektronid koos samas suunas ja seetõttu kalduvad kõrvale vastassuundades.

4. Ettingshauseni ja Riia mõju — Leduc — termiliste gradientide ilmnemine kandja läbipainde tagajärjel, kui kuumad kandjad on läbi painutatud rohkem kui külmad. Kui termilised gradiendid tekivad seoses Halli efektidega, siis seda nähtust nimetatakse Ettingshauseni efektiks, kui need esinevad seoses Nernsti efektiga, siis nähtust nimetatakse Rigi-Leduci efektiks.

5. Elektritakistuse suurenemine kandjate läbipainde tagajärjel nende liikumisel liikuva elektrivälja mõjul. Siin väheneb samal ajal juhi efektiivne ristlõikepindala kandjate nihkumise tõttu selle ühele küljele ja kandjate poolt läbitava vahemaa vähenemise tõttu. vool, mis on tingitud nende teekonna pikenemisest sirge asemel kõvera liikumise tõttu.

6. Soojustakistuse suurenemine eelnevaga sarnaste tingimuste muutumise tagajärjel.

Halli efekti andur

Peamised kombineeritud mõjud ilmnevad kahel juhul:

• kui luuakse tingimused elektrivoolu voolamiseks ülaltoodud nähtustest tulenevate potentsiaalsete gradientide mõjul;
• kui ülaltoodud nähtustest tulenevate termiliste gradientide mõjul luuakse tingimused soojusvoo tekkeks.

Lisaks on teada kombineeritud efektid, mille puhul üks galvanomagnetilistest efektidest kombineeritakse ühe või mitme mittegalvanomagnetilise efektiga.

1. Soojusefektid:

• kandja liikuvus muutub temperatuurimuutuste tõttu;
• elektronide ja aukude liikuvus muutuvad erineval määral sõltuvalt temperatuurist;
• kandjapopulatsiooni muutused temperatuurimuutuste tõttu;
• elektronide ja aukude populatsioonid muutuvad temperatuurimuutuste tõttu erineval määral.

2. Anisotroopia mõju. Kristalliliste ainete anisotroopsed omadused muudavad isotroopsete omadustega täheldatava nähtuse tulemusi.

3. Termoelektrilised efektid:

• sooja ja külma keskkonna eraldamisest tingitud termilised gradiendid tekitavad termoelektrilisi efekte;
• termoelektrilised efektid tugevnevad kandja biasi tagajärjel, aine ruumalaühiku keemiline potentsiaal muutub kandjapopulatsiooni muutumise tõttu (Nersti efektid).

4. Ferromagnetilised efektid. Kandjate liikuvus ferromagnetilistes ainetes sõltub magnetvälja absoluutsest tugevusest ja suunast (nagu Gaussi efekti puhul).

5. Mõõtmete mõju. Kui kehal on elektronide trajektooridega võrreldes suured mõõtmed, siis aine omadused kogu keha ruumala ulatuses mõjutavad elektronide aktiivsust valdavalt. Kui keha mõõtmed on elektronide trajektooridega võrreldes väikesed, siis võivad ülekaalus olla pinnaefektid.

6. Tugevate väljade mõju. Galvanomagnetilised nähtused sõltuvad sellest, kui kaua kandjad oma tsüklotroni trajektoori mööda liiguvad. Tugevates magnetväljades võivad kandjad seda teed mööda läbida märkimisväärse vahemaa. Erinevate võimalike galvanomagnetiliste efektide koguarv on üle kahesaja, kuid tegelikult on neist igaüks võimalik saada ülalloetletud nähtusi kombineerides.

Vaata ka: Elekter ja magnetism, põhimõisted, liikuvate laetud osakeste liigid