Lawrenceova síla a galvanomagnetické jevy

Síly působící na pohybující se nabité částice

Pokud se elektricky nabitá částice pohybuje v okolním magnetickém poli, pak vnitřní magnetické pole této pohybující se částice a okolní pole interaguje a vytváří sílu působící na částici. Tato síla má tendenci měnit směr pohybu částice. Jediný pohybující se částice s elektrickým nábojem způsobuje vzhled Magnetické pole Bio-Savara.

Přestože je pole Bio-Savart, přísně vzato, generováno pouze nekonečně dlouhým drátem, ve kterém se pohybuje mnoho nabitých částic, má průřez magnetického pole kolem trajektorie jednotlivé částice procházející touto částicí stejnou kruhovou konfiguraci.

Pole Bio-Savart je však konstantní jak v prostoru, tak v čase a pole jednotlivé částice měřené v daném bodě prostoru se mění, jak se částice pohybuje.

Lorentzův zákon definuje sílu působící na pohybující se elektricky nabitou částici v magnetickém poli:

F=kQB (dx/dt),

kde B – elektrický náboj částice; B je indukce vnějšího magnetického pole, ve kterém se částice pohybuje; dx/dt — rychlost částic; F — výsledná síla působící na částici; k — konstanta proporcionality.

Magnetické pole obklopující trajektorii elektronu je nasměrováno ve směru hodinových ručiček při pohledu z oblasti, ke které se elektron blíží. Za podmínek pohybu elektronu je jeho magnetické pole namířeno proti vnějšímu poli, zeslabuje jej ve spodní části znázorněné oblasti a shoduje se s vnějším polem a zesiluje jej v horní části.

Oba faktory vedou k sestupné síle působící na elektron. Podél přímky, která se shoduje se směrem vnějšího pole, je magnetické pole elektronu nasměrováno v pravém úhlu k vnějšímu poli. Při takovém vzájemně kolmém směru polí jejich interakce nevytváří žádné síly.

Ve zkratce, jestliže se záporně nabitá částice pohybuje v rovině zleva doprava a vnější magnetické pole je nasměrováno pozorovatelem do hloubky schématu, pak Lorentzova síla působící na částici směřuje shora dolů.

Síly působící na záporně nabitou částici, jejíž dráha směřuje kolmo k vektoru síly vnějšího magnetického pole

Lawrenceovy síly

Drát pohybující se v prostoru křižuje siločáry magnetického pole existujícího v tomto prostoru, v důsledku čehož na elektrony uvnitř drátu působí určité mechanické koercitivní pole.

Pohyb elektronů přes magnetické pole nastává spolu s drátem.Tento pohyb může být omezen působením jakýchkoli sil, které brání pohybu vodiče; ve směru pohybu drátu však nejsou elektrony ovlivněny elektrickým odporem.

Mezi dvěma konci takového drátu se generuje Lorentzovo napětí, které je úměrné rychlosti pohybu a magnetické indukci. Lorentzovy síly pohybují elektrony podél drátu jedním směrem, což vede k tomu, že se na jednom konci drátu hromadí více elektronů než na druhém.

Napětí generované tímto oddělením nábojů má tendenci přivést elektrony zpět k rovnoměrnému rozložení a nakonec se ustaví rovnováha při zachování určitého napětí úměrného rychlosti drátu. Pokud vytvoříte podmínky, kdy drátem může protékat proud, pak se v obvodu vytvoří napětí, které je opačné než původní Lorentzovo napětí.

Fotografie ukazuje experimentální uspořádání k demonstraci Lorentzovy síly. Obrázek vlevo: jak to vypadá Vpravo: Lorentzův silový efekt. Elektron letí z pravého konce doleva, magnetická síla protíná dráhu letu a vychyluje elektronový paprsek dolů.

Protože elektrický proud je uspořádaný pohyb nábojů, je účinek magnetického pole na vodič s proudem výsledkem jeho působení na jednotlivé pohybující se náboje.

Hlavní uplatnění Lorentzovy síly je v elektrických strojích (generátorech a motorech).

Síla působící na vodič s proudem v magnetickém poli je rovna vektorovému součtu Lorentzových sil působících na každý nosič náboje. Tato síla se nazývá Ampérova síla, tzn.Ampérová síla se rovná součtu všech Lorentzových sil působících na vodič s proudem. Dívej se: Ampérův zákon

Galvanomagnetické efekty

Různé důsledky působení Lorentzových sil, způsobující odchylku trajektorie záporně nabitých částic - elektronů při pohybu pevnými látkami, se nazývají galvanomagnetické efekty.

Když elektrický proud protéká pevným drátem umístěným v magnetickém poli, elektrony nesoucí tento proud jsou vychylovány ve směru kolmém jak ke směru proudu, tak ke směru magnetického pole. Čím rychleji se elektrony pohybují, tím více jsou vychylovány.

V důsledku vychýlení elektronů vznikají gradienty elektrického potenciálu ve směrech kolmých ke směru proudu. Vzhledem k tomu, že rychleji se pohybující elektrony jsou vychylovány více než pomaleji se pohybující, vznikají teplotní gradienty, rovněž kolmé na směr proudu.

Mezi galvanomagnetické efekty tedy patří elektrické a tepelné jevy.

Vzhledem k tomu, že elektrony se mohou pohybovat pod vlivem silových elektrických, tepelných a chemických polí, jsou galvanomagnetické efekty klasifikovány jak podle typu silového pole, tak podle povahy výsledných jevů - tepelné nebo elektrické.

Termín "galvanomagnetický" se týká pouze určitých jevů pozorovaných v pevných látkách, kde jediným druhem částic schopných pohybu v jakémkoli znatelném množství jsou elektrony, fungující buď jako "volná činidla" nebo jako činidla pro tvorbu takzvaných děr.Proto jsou galvanomagnetické jevy také klasifikovány v závislosti na typu nosiče, který se na nich podílí - volné elektrony nebo díry.

Jedním z projevů tepelné energie je nepřetržitý pohyb části elektronů libovolné pevné látky po náhodně směrovaných trajektoriích a náhodnou rychlostí. Pokud mají tyto pohyby zcela náhodné charakteristiky, pak je součet všech jednotlivých pohybů elektronů nulový a nelze zjistit žádné důsledky odchylek jednotlivých částic pod vlivem Lorentzových sil.

Pokud existuje elektrický proud, je nesen určitým počtem nabitých částic nebo nosičů pohybujících se ve stejném nebo stejném směru.

V pevných látkách vzniká elektrický proud jako výsledek superpozice nějakého obecného jednosměrného pohybu na původní náhodný pohyb elektronů. V tomto případě je elektronová aktivita částečně náhodná odezva na účinek tepelné energie a částečně jednosměrná odezva na účinek, který generuje elektrický proud.

Paprsek elektronů pohybující se po kruhové dráze v konstantním magnetickém poli. Fialové světlo ukazující dráhu elektronu v této trubici vzniká srážkou elektronů s molekulami plynu.

Jakýkoli pohyb elektronů sice reaguje na působení Lorentzových sil, ale v galvanomagnetických jevech se projeví pouze ty pohyby, které přispívají k přenosu proudu.

Galvanomagnetické jevy jsou tedy jedním z důsledků umístění pevného tělesa do magnetického pole a přidání jednosměrného pohybu k pohybu jeho elektronů, který byl za počátečních podmínek náhodný. Jedním z výsledků této kombinace podmínek je výskyt populačních gradientů nosných částic ve směru kolmém na jejich jednosměrný pohyb.

Lorentzovy síly mají tendenci přesunout všechny nosiče na jednu stranu drátu. Protože nosiče jsou nabité částice, takové gradienty jejich populace také vytvářejí gradienty elektrického potenciálu, které vyrovnávají Lorentzovy síly a mohou samy vybudit elektrický proud.

V přítomnosti takového proudu se ustaví třísložková rovnováha mezi Lorentzovými silami, galvanomagnetickými napětími a odporovými napětími.

Náhodný pohyb elektronů je podporován tepelnou energií, která je určena teplotou látky. Energie potřebná k udržení částic v pohybu jedním směrem musí pocházet z jiného zdroje. Ten se nemůže vytvořit uvnitř látky samotné, pokud je v rovnovážném stavu, musí energie pocházet z prostředí.

Galvanomagnetická konverze tedy souvisí s elektrickými jevy, které jsou důsledkem výskytu gradientů populace nosičů; takové gradienty vznikají v pevných látkách, když jsou umístěny v magnetickém poli a vystaveny různým vlivům z vnějšího prostředí, což způsobuje obecný jednosměrný pohyb nosičů, jejichž pohyb v počátečních podmínkách je náhodný.

Klasifikace galvanomagnetických jevů

Je známo šest hlavních galvanomagnetických efektů:

1.Hallové efekty — výskyt gradientů elektrického potenciálu v důsledku odchylky nosičů při jejich pohybu pod vlivem silového elektrického pole. V tomto případě se díry a elektrony současně nebo jednotlivě pohybují v opačných směrech, a proto se odchylují ve stejném směru.

Dívej se - Aplikace Hallových senzorů

2. Nerstovy efekty — výskyt gradientů elektrického potenciálu v důsledku vychýlení nosičů během jejich pohybu pod vlivem nuceného tepelného pole, zatímco díry a elektrony se současně nebo odděleně pohybují stejným směrem, a proto se odchylují v opačných směrech.

3. Fotoelektromagnetické a mechanoelektromagnetické jevy — vznik gradientů elektrického potenciálu jako důsledek odchylky nosičů při jejich pohybu pod vlivem silového chemického pole (gradienty populace částic). V tomto případě se díry a elektrony vytvořené ve dvojicích pohybují společně ve stejném směru, a proto se odchylují v opačných směrech.

4. Účinky Ettingshausenu a Rigy — Leduc — výskyt teplotních gradientů v důsledku vychýlení nosiče, kdy jsou horké nosiče vychylovány ve větší míře než studené. Pokud se tepelné gradienty vyskytují v souvislosti s Hallovými jevy, pak se tento jev nazývá Ettingshausenův jev, pokud se vyskytují v souvislosti s Nernstovým jevem, pak se jev nazývá Rigi-Leducův jev.

5. Zvýšení elektrického odporu v důsledku vychýlení nosičů při jejich pohybu pod vlivem hnacího elektrického pole. Zde zároveň dochází ke zmenšování efektivní plochy průřezu vodiče v důsledku posunutí nosičů na jeho jednu stranu a zmenšování vzdálenosti, kterou urazí nosiče ve směru proudu v důsledku prodloužení jejich dráhy v důsledku pohybu po zakřivené dráze namísto přímé.

6. Zvýšení tepelného odporu v důsledku měnících se podmínek podobných výše uvedeným.

Hallův senzor

Hlavní kombinované účinky se vyskytují ve dvou případech:

• kdy jsou vytvořeny podmínky pro tok elektrického proudu pod vlivem potenciálových gradientů vyplývajících z výše uvedených jevů;
• kdy jsou vytvořeny podmínky pro vznik tepelného toku pod vlivem tepelných gradientů vyplývajících z výše uvedených jevů.

Kromě toho jsou známy kombinované efekty, ve kterých je jeden z galvanomagnetických efektů kombinován s jedním nebo více negalvanomagnetickými efekty.

1. Tepelné účinky:

• změny mobility nosiče v důsledku změn teploty;
• pohyblivost elektronů a děr se mění v různé míře v závislosti na teplotě;
• změny populace nosičů v důsledku teplotních změn;
• populace elektronů a děr se mění v různé míře v důsledku změn teploty.

2. Účinky anizotropie. Anizotropní charakteristiky krystalických látek mění výsledky jevu, který by byl pozorován u izotropních charakteristik.

3. Termoelektrické jevy:

• tepelné gradienty v důsledku separace teplého a studeného média generují termoelektrické efekty;
• termoelektrické efekty jsou zesíleny v důsledku zkreslení nosiče, chemický potenciál na jednotku objemu látky se mění v důsledku změny populace nosičů (Nerstovy efekty).

4. Feromagnetické jevy. Pohyblivost nosiče ve feromagnetických látkách závisí na absolutní síle a směru magnetického pole (jako u Gaussova jevu).

5. Vliv rozměrů. Pokud má těleso velké rozměry v porovnání s dráhami elektronů, pak na aktivitu elektronů mají převažující vliv vlastnosti látky v celém objemu tělesa. Pokud jsou rozměry tělesa ve srovnání s trajektoriemi elektronů malé, pak mohou převládat povrchové efekty.

6. Vliv silných polí. Galvanomagnetické jevy závisí na tom, jak dlouho nosiče cestují po své cyklotronové trajektorii. V silných magnetických polích mohou nosiče po této dráze urazit značnou vzdálenost. Celkový počet různých možných galvanomagnetických efektů je více než dvě stě, ale ve skutečnosti lze každý z nich získat kombinací výše uvedených jevů.

Viz také: Elektřina a magnetismus, základní definice, typy pohybujících se nabitých částic