Lorensa spēks un galvanomagnētiskie efekti

Spēki, kas tiek pielietoti lādētu daļiņu pārvietošanai

Ja elektriski lādēta daļiņa pārvietojas apkārtējā magnētiskajā laukā, tad šīs kustīgās daļiņas iekšējais magnētiskais lauks un apkārtējais lauks mijiedarbojas, radot daļiņai pieliktu spēku. Šim spēkam ir tendence mainīt daļiņas kustības virzienu. Viena kustīga daļiņa ar elektrisko lādiņu izraisa izskatu Bio-Savara magnētiskais lauks.

Lai gan Bio-Savart lauku, stingri runājot, ģenerē tikai bezgalīgi garš vads, kurā pārvietojas daudzas uzlādētas daļiņas, magnētiskā lauka šķērsgriezumam ap atsevišķas daļiņas trajektoriju, kas iet caur šo daļiņu, ir tāda pati apļveida konfigurācija.

Tomēr Bio-Savart lauks ir nemainīgs gan telpā, gan laikā, un atsevišķas daļiņas lauks, kas izmērīts noteiktā telpas punktā, mainās, daļiņai pārvietojoties.

Lorenca likums nosaka spēku, kas iedarbojas uz kustīgu elektriski lādētu daļiņu magnētiskajā laukā:

F=kQB (dx/dt),

kur B — daļiņas elektriskais lādiņš; B ir ārējā magnētiskā lauka indukcija, kurā daļiņa pārvietojas; dx/dt — daļiņu ātrums; F — radošais spēks uz daļiņu; k — proporcionalitātes konstante.

Magnētiskais lauks, kas ieskauj elektrona trajektoriju, ir vērsts pulksteņrādītāja virzienā, skatoties no apgabala, kurā elektrons tuvojas. Elektrona kustības apstākļos tā magnētiskais lauks ir vērsts pret ārējo lauku, vājinot to parādītā apgabala apakšējā daļā, un sakrīt ar ārējo lauku, stiprinot to augšējā daļā.

Abi faktori rada lejupvērstu spēku, kas tiek pielikts elektronam. Pa taisnu līniju, kas sakrīt ar ārējā lauka virzienu, elektrona magnētiskais lauks ir vērsts taisnā leņķī pret ārējo lauku. Ar tik savstarpēji perpendikulāru lauku virzienu to mijiedarbība nerada nekādus spēkus.

Īsumā, ja negatīvi lādēta daļiņa pārvietojas no kreisās puses uz labo plaknē un ārējo magnētisko lauku novirza novērotājs shēmas dziļumā, tad daļiņai pieliktais Lorenca spēks ir vērsts no augšas uz leju.

Spēki, kas iedarbojas uz negatīvi lādētu daļiņu, kuras trajektorija ir vērsta perpendikulāri ārējā magnētiskā lauka spēka vektoram

Lorensa spēki

Telpā kustīgs vads šķērso šajā telpā esošā magnētiskā lauka spēka līnijas, kā rezultātā uz stieples iekšpusē esošajiem elektroniem iedarbojas noteikts mehānisks piespiedu lauks.

Elektronu kustība caur magnētisko lauku notiek kopā ar vadu.Šo kustību var ierobežot jebkādu spēku darbība, kas kavē vadītāja kustību; taču stieples kustības virzienā elektronus neietekmē elektriskā pretestība.

Starp abiem šāda vada galiem tiek ģenerēts Lorenca spriegums, kas ir proporcionāls kustības ātrumam un magnētiskajai indukcijai. Lorenca spēki pārvieto elektronus gar vadu vienā virzienā, kā rezultātā vienā stieples galā uzkrājas vairāk elektronu nekā otrā.

Spriegums, ko rada šī lādiņu atdalīšana, mēdz atgriezt elektronus vienmērīgā sadalījumā, un galu galā tiek izveidots līdzsvars, vienlaikus saglabājot noteiktu spriegumu, kas ir proporcionāls stieples ātrumam. Ja jūs izveidojat apstākļus, kuros strāva var plūst vadā, tad ķēdē tiks izveidots spriegums, kas ir pretējs sākotnējam Lorenca spriegumam.

Fotoattēlā parādīts eksperimentāls uzstādījums, lai demonstrētu Lorenca spēku. Kreisais attēls: kā tas izskatās Pa labi: Lorenca spēka efekts. Elektrons lido no labā gala uz kreiso.Magnētiskais spēks šķērso lidojuma trajektoriju un novirza elektronu staru uz leju.

Tā kā elektriskā strāva ir sakārtota lādiņu kustība, magnētiskā lauka ietekme uz strāvu nesošo vadītāju ir tā darbības rezultāts uz atsevišķiem kustīgiem lādiņiem.

Galvenais Lorenca spēka pielietojums ir elektriskās mašīnās (ģeneratoros un motoros).

Spēks, kas iedarbojas uz strāvu nesošo vadītāju magnētiskajā laukā, ir vienāds ar Lorenca spēku vektoru summu, kas iedarbojas uz katru lādiņa nesēju. Šo spēku sauc par Ampera spēku, t.i.Spēks ampērā ir vienāds ar visu Lorenca spēku summu, kas iedarbojas uz strāvu nesošo vadītāju. Skaties: Ampera likums

Galvanomagnētiskie efekti

Dažādas Lorenca spēku darbības sekas, izraisot negatīvi lādētu daļiņu – elektronu – trajektorijas novirzi, pārvietojoties pa cietām vielām, sauc par galvanomagnētiskajiem efektiem.

Kad elektriskā strāva plūst cietā vadā, kas novietots magnētiskajā laukā, elektroni, kas nes šo strāvu, tiek novirzīti virzienā, kas ir perpendikulārs gan strāvas virzienam, gan magnētiskā lauka virzienam. Jo ātrāk elektroni pārvietojas, jo vairāk tie tiek novirzīti.

Elektronu novirzes rezultātā tiek izveidoti elektriskā potenciāla gradienti virzienos, kas ir perpendikulāri strāvas virzienam. Sakarā ar to, ka ātrāk kustīgie elektroni tiek novirzīti vairāk nekā lēnāk kustīgie, rodas termiskie gradienti, arī perpendikulāri strāvas virzienam.

Tādējādi galvanomagnētiskie efekti ietver elektriskās un termiskās parādības.

Ņemot vērā, ka elektroni var pārvietoties piespiedu elektrisko, termisko un ķīmisko lauku ietekmē, galvanomagnētiskos efektus klasificē gan pēc piespiedu lauka veida, gan pēc radušos parādību rakstura - termiskās vai elektriskās.

Termins "galvanomagnētisks" attiecas tikai uz noteiktām parādībām, kas novērotas cietās vielās, kur vienīgā veida daļiņas, kas spēj kustēties jebkurā ievērojamā daudzumā, ir elektroni, kas darbojas vai nu kā "brīvie aģenti" vai kā aģenti tā saukto caurumu veidošanai.Tāpēc galvanomagnētiskās parādības tiek klasificētas arī atkarībā no tajās iesaistītā nesēja veida - brīvie elektroni vai caurumi.

Viena no siltumenerģijas izpausmēm ir jebkuras cietas vielas elektronu daļas nepārtraukta kustība pa nejauši virzītām trajektorijām un nejaušos ātrumos. Ja šīm kustībām ir pilnīgi nejauši raksturlielumi, tad visu elektronu atsevišķo kustību summa ir nulle, un nav iespējams noteikt nekādas sekas atsevišķu daļiņu novirzēm Lorenca spēku ietekmē.

Ja ir elektriskā strāva, to pārnēsā noteikts skaits lādētu daļiņu vai nesēju, kas pārvietojas tajā pašā vai vienā virzienā.

Cietās vielās elektriskā strāva rodas kādas vispārējas vienvirziena kustības superpozīcijas rezultātā uz sākotnējo elektronu nejaušo kustību. Šajā gadījumā elektronu aktivitāte ir daļēji nejauša reakcija uz siltumenerģijas ietekmi un daļēji vienvirziena reakcija uz efektu, kas rada elektrisko strāvu.

Elektronu stars, kas pārvietojas pa apļveida orbītu pastāvīgā magnētiskajā laukā. Violetā gaisma, kas parāda elektrona ceļu šajā caurulē, rodas elektronu sadursmē ar gāzes molekulām.

Lai gan jebkura elektronu kustība reaģē uz Lorenca spēku darbību, galvanomagnētiskās parādībās tiek atspoguļotas tikai tās kustības, kas veicina strāvas pārnešanu.

Tātad galvanomagnētiskās parādības ir viena no sekām, kas rodas, ievietojot cietu ķermeni magnētiskajā laukā un pievienojot tā elektronu kustībai vienvirziena kustību, kas sākotnējos apstākļos pēc būtības bija nejauša. Viens no šīs apstākļu kombinācijas rezultātiem ir nesējdaļiņu populācijas gradientu parādīšanās virzienā, kas ir perpendikulārs to vienvirziena kustībai.

Lorenca spēki mēdz pārvietot visus nesējus uz vienu stieples pusi. Tā kā nesēji ir uzlādētas daļiņas, šādi to populācijas gradienti rada arī elektriskā potenciāla gradientus, kas līdzsvaro Lorenca spēkus un paši var ierosināt elektrisko strāvu.

Šādas strāvas klātbūtnē tiek izveidots trīskomponentu līdzsvars starp Lorenca spēkiem, galvanomagnētiskajiem spriegumiem un pretestības spriegumiem.

Elektronu nejaušo kustību atbalsta siltumenerģija, ko nosaka vielas temperatūra. Enerģijai, kas nepieciešama, lai daļiņas kustētos vienā virzienā, jānāk no cita avota. Šo pēdējo nevar veidoties pašas vielas iekšienē, ja tā ir līdzsvara stāvoklī, enerģijai jānāk no vides.

Tādējādi galvanomagnētiskā pārveide ir saistīta ar elektriskām parādībām, kas ir nesēju populācijas gradientu parādīšanās sekas; šādi gradienti veidojas cietās vielām, kad tās ir novietotas magnētiskajā laukā un pakļautas dažādām ārējās vides ietekmēm, izraisot vispārēju vienvirziena nesēju kustību, kuru kustība sākotnējos apstākļos ir nejauša.

Galvomagnētisko efektu klasifikācija

Ir zināmi seši galvenie galvanomagnētiskie efekti:

1.Zāles efekti - elektriskā potenciāla gradientu parādīšanās nesēju novirzes rezultātā to kustības laikā piespiedu elektriskā lauka ietekmē. Šajā gadījumā caurumi un elektroni vienlaicīgi vai atsevišķi pārvietojas pretējos virzienos un tāpēc novirzās vienā virzienā.

Skaties - Zāles sensoru pielietojumi

2. Nersta efekti — elektrisko potenciālu gradientu parādīšanās nesēju novirzes rezultātā to kustības laikā piespiedu termiskā lauka ietekmē, kamēr caurumi un elektroni vienlaicīgi vai atsevišķi pārvietojas vienā virzienā un tāpēc novirzās pretējos virzienos.

3. Fotoelektromagnētiskie un mehāniskie elektromagnētiskie efekti - elektriskā potenciāla gradientu parādīšanās nesēju novirzes rezultātā to kustības laikā piespiedu ķīmiskā lauka ietekmē (daļiņu populācijas gradienti). Šajā gadījumā pa pāriem izveidotie caurumi un elektroni pārvietojas kopā vienā virzienā un tāpēc novirzās pretējos virzienos.

4. Ettingshauzena un Rīgas ietekme — Leduc — termisko gradientu parādīšanās nesēja novirzes rezultātā, kad karstie nesēji tiek novirzīti lielākā mērā nekā aukstie. Ja termiskie gradienti rodas saistībā ar Hola efektu, tad šo parādību sauc par Etingshauzena efektu, ja tie rodas saistībā ar Nernsta efektu, tad parādību sauc par Rigi-Leduc efektu.

5. Elektriskās pretestības palielināšanās nesēju novirzīšanās rezultātā to kustības laikā virzoša elektriskā lauka ietekmē. Šeit tajā pašā laikā tiek samazināts vadītāja efektīvais šķērsgriezuma laukums, ko izraisa nesēju nobīde uz vienu tā pusi un pārvadātāju nobrauktā attāluma samazināšanās virziena virzienā. strāva to ceļa pagarinājuma dēļ, pārvietojoties pa izliektu ceļu, nevis taisnu.

6. Termiskās pretestības palielināšanās, mainoties iepriekš minētajiem apstākļiem.

Hallas efekta sensors

Galvenās kombinētās sekas rodas divos gadījumos:

• kad tiek radīti apstākļi elektriskās strāvas plūsmai potenciālo gradientu ietekmē, kas izriet no iepriekšminētajām parādībām;
• kad tiek radīti apstākļi siltuma plūsmas veidošanai iepriekš minēto parādību rezultātā radušos termisko gradientu ietekmē.

Turklāt ir zināmi kombinētie efekti, kuros viens no galvanomagnētiskajiem efektiem tiek apvienots ar vienu vai vairākiem negalvanomagnētiskiem efektiem.

1. Termiskie efekti:

• nesēja mobilitāte mainās temperatūras izmaiņu dēļ;
• elektronu un caurumu kustīgums mainās dažādās pakāpēs atkarībā no temperatūras;
• pārvadātāju populācijas izmaiņas temperatūras izmaiņu dēļ;
• elektronu un caurumu populācijas mainās dažādās pakāpēs temperatūras izmaiņu dēļ.

2. Anizotropijas ietekme. Kristālisko vielu anizotropās īpašības maina parādības rezultātus, kas būtu novērojami ar izotropiskām īpašībām.

3. Termoelektriskie efekti:

• termiskie gradienti siltās un aukstās vides atdalīšanas dēļ rada termoelektriskus efektus;
• termoelektriskie efekti tiek pastiprināti nesēja novirzes rezultātā, mainās ķīmiskais potenciāls uz vielas tilpuma vienību, mainoties nesēju populācijai (Nerst efekti).

4. Feromagnētiskie efekti. Nesēja mobilitāte feromagnētiskajās vielās ir atkarīga no magnētiskā lauka absolūtā stipruma un virziena (kā Gausa efektā).

5. Dimensiju ietekme. Ja ķermenim ir lieli izmēri salīdzinājumā ar elektronu trajektorijām, tad vielas īpašībām visā ķermeņa tilpumā ir dominējoša ietekme uz elektronu aktivitāti. Ja ķermeņa izmēri ir mazi, salīdzinot ar elektronu trajektorijām, tad virsmas efekti var dominēt.

6. Spēcīgo lauku ietekme. Galvanomagnētiskās parādības ir atkarīgas no tā, cik ilgi nesēji pārvietojas pa savu ciklotronu trajektoriju. Spēcīgos magnētiskajos laukos nesēji var nobraukt ievērojamu attālumu pa šo ceļu. Kopējais dažādu iespējamo galvanomagnētisko efektu skaits ir vairāk nekā divi simti, bet faktiski katru no tiem var iegūt, apvienojot iepriekš uzskaitītās parādības.

Skatīt arī: Elektrība un magnētisms, pamatdefinīcijas, kustīgu lādētu daļiņu veidi