Lawrence kuvveti ve galvanomanyetik etkiler

Hareket eden yüklü parçacıklara uygulanan kuvvetler

Elektrik yüklü bir parçacık çevreleyen bir manyetik alanda hareket ederse, o hareket eden parçacığın iç manyetik alanı ve çevreleyen alan etkileşerek parçacığa uygulanan bir kuvvet oluşturur. Bu kuvvet, parçacığın hareket yönünü değiştirme eğilimindedir. Elektrik yüklü tek bir hareketli parçacık, görünüme neden olur Bio-Savara manyetik alan.

Bio-Savart alanı, tam olarak söylemek gerekirse, yalnızca içinde birçok yüklü parçacığın hareket ettiği sonsuz uzunlukta bir tel tarafından üretilse de, manyetik alanın o parçacıktan geçen bireysel bir parçacığın yörüngesi etrafındaki enine kesiti aynı dairesel konfigürasyona sahiptir.

Bununla birlikte, Bio-Savart alanı hem uzayda hem de zamanda sabittir ve uzayda belirli bir noktada ölçülen tek bir parçacığın alanı, parçacık hareket ettikçe değişir.

Lorentz yasası, manyetik alanda hareket eden elektrik yüklü bir parçacığa etki eden kuvveti tanımlar.:

F=kQB (dx/dt),

nerede B — parçacığın elektrik yükü; B, parçacığın hareket ettiği dış manyetik alanın indüksiyonudur; dx/dt — parçacıkların hızı; F — parçacık üzerinde ortaya çıkan kuvvet; k — orantılılık sabiti.

Elektronun yörüngesini çevreleyen manyetik alan, elektronun yaklaştığı bölgeden bakıldığında saat yönündedir. Elektronun hareket koşulları altında, manyetik alanı dış alana yönelerek gösterilen bölgenin alt kısmında onu zayıflatır ve üst kısımda dış alanla çakışarak onu güçlendirir.

Her iki faktör de elektrona aşağı doğru bir kuvvet uygulanmasına neden olur. Dış alanın yönü ile çakışan düz bir çizgi boyunca, elektronun manyetik alanı dış alana dik açılarda yönlendirilir. Alanların böylesine karşılıklı olarak dik bir yönüyle, etkileşimleri herhangi bir kuvvet oluşturmaz.

Kısacası, negatif yüklü bir parçacık bir düzlemde soldan sağa doğru hareket ediyorsa ve dış manyetik alan gözlemci tarafından şemanın derinliğine yönlendiriliyorsa, parçacığa uygulanan Lorentz kuvveti yukarıdan aşağıya doğru yönlendirilir.

Yörüngesi dış manyetik alanın kuvvet vektörüne dik olan negatif yüklü bir parçacığa etki eden kuvvetler

Lawrence'ın Yetkileri

Uzayda hareket eden bir tel, bu uzayda var olan manyetik alanın kuvvet çizgilerini geçer ve bunun sonucunda telin içindeki elektronlara belirli bir mekanik zorlayıcı alan etki eder.

Elektronların manyetik alan boyunca hareketi tel ile birlikte gerçekleşir.Bu hareket, iletkenin hareketini engelleyen herhangi bir kuvvetin etkisiyle sınırlanabilir; ancak telin hareket yönünde elektronlar elektrik direncinden etkilenmezler.

Böyle bir telin iki ucu arasında, hareket hızı ve manyetik indüksiyonla orantılı bir Lorentz voltajı üretilir. Lorentz kuvvetleri elektronları tel boyunca bir yönde hareket ettirerek telin bir ucunda diğerinden daha fazla elektron birikmesine neden olur.

Yüklerin bu şekilde ayrılmasıyla üretilen voltaj, elektronları tekdüze bir dağılıma geri getirme eğilimindedir ve sonunda, telin hızıyla orantılı belirli bir voltajı korurken denge kurulur. Kabloda akımın akabileceği koşullar yaratırsanız, devrede orijinal Lorentz voltajının zıttı bir voltaj oluşacaktır.

Fotoğraf, Lorentz kuvvetini göstermek için deneysel bir düzeni göstermektedir. Soldaki resim: neye benzediği Sağda: Lorentz kuvvet etkisi. Bir elektron sağ uçtan sola uçar, manyetik kuvvet uçuş yolunu keser ve elektron ışınını aşağı doğru saptırır.

Bir elektrik akımı, yüklerin düzenli bir hareketi olduğundan, manyetik alanın akım taşıyan bir iletken üzerindeki etkisi, tek tek hareket eden yükler üzerindeki etkisinin sonucudur.

Lorentz kuvvetinin ana uygulaması elektrikli makinelerdedir (jeneratörler ve motorlar).

Manyetik alanda akım taşıyan bir iletkene etki eden kuvvet, her bir yük taşıyıcıya etki eden Lorentz kuvvetlerinin vektörel toplamına eşittir. Bu kuvvete Ampere kuvveti denir, yani.Amper kuvveti, akım taşıyan bir iletkene etki eden tüm Lorentz kuvvetlerinin toplamına eşittir. Bakmak: Amper Yasası

Galvanomanyetik etkiler

Lorentz kuvvetlerinin, negatif yüklü parçacıkların yörüngesinde bir sapmaya neden olan etkisinin çeşitli sonuçlarına - elektronlar, katılar boyunca hareket ederken, galvanomanyetik etkiler denir.

Bir manyetik alana yerleştirilmiş katı bir telden bir elektrik akımı geçtiğinde, bu akımı taşıyan elektronlar hem akımın yönüne hem de manyetik alanın yönüne dik bir yönde saparlar. Elektronlar ne kadar hızlı hareket ederse, o kadar çok saptırılırlar.

Elektronların saptırılmasının bir sonucu olarak, akımın yönüne dik yönlerde elektrik potansiyeli gradyanları oluşturulur. Daha hızlı hareket eden elektronların daha yavaş hareket edenlerden daha fazla sapması nedeniyle, yine akımın yönüne dik olan termal gradyanlar ortaya çıkar.

Bu nedenle, galvanomanyetik etkiler elektriksel ve termal olayları içerir.

Elektronların zorlayıcı elektrik, termal ve kimyasal alanların etkisi altında hareket edebildiği göz önüne alındığında, galvanomanyetik etkiler hem zorlama alanının türüne hem de ortaya çıkan fenomenin doğasına göre - termal veya elektriksel olarak sınıflandırılır.

"Galvanomanyetik" terimi, yalnızca katılarda gözlemlenen belirli fenomenlere atıfta bulunur; burada, kayda değer herhangi bir miktarda hareket edebilen tek parçacık türü, ya "serbest maddeler" olarak veya sözde deliklerin oluşumu için maddeler olarak işlev gören elektronlardır.Bu nedenle, galvanomanyetik fenomenler, içinde yer alan taşıyıcı tipine bağlı olarak da sınıflandırılır - serbest elektronlar veya delikler.

Isı enerjisinin tezahürlerinden biri, herhangi bir katı maddenin elektronlarının bir kısmının rastgele yönlendirilmiş yörüngeler boyunca ve rastgele hızlarda sürekli hareketidir. Bu hareketler tamamen rastgele özelliklere sahipse, o zaman elektronların tüm bireysel hareketlerinin toplamı sıfırdır ve Lorentz kuvvetlerinin etkisi altındaki bireysel parçacıkların sapmalarının herhangi bir sonucunu tespit etmek imkansızdır.

Bir elektrik akımı varsa, aynı veya aynı yönde hareket eden belirli sayıda yüklü parçacık veya taşıyıcı tarafından taşınır.

Katılarda, elektrik akımı, bazı genel tek yönlü hareketin, elektronların başlangıçtaki rasgele hareketiyle üst üste binmesinin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Bu durumda, elektron aktivitesi kısmen termal enerjinin etkisine rastgele bir tepkidir ve kısmen de bir elektrik akımı oluşturan etkiye tek yönlü bir tepkidir.

Sabit bir manyetik alanda dairesel bir yörüngede hareket eden bir elektron demeti. Bu tüpteki bir elektronun yolunu gösteren mor ışık, elektronların gaz molekülleri ile çarpışmasıyla oluşur.

Elektronların herhangi bir hareketi Lorentz kuvvetlerinin hareketine tepki verse de, yalnızca akım transferine katkıda bulunan hareketler galvanomanyetik fenomende yansıtılır.

Yani, galvanomanyetik olaylar, katı bir cismi manyetik alana yerleştirmenin ve elektronlarının hareketine, başlangıç ​​koşulları altında doğası gereği rastgele olan tek yönlü hareket eklemenin sonuçlarından biridir. Taşıyıcı parçacıkların popülasyon gradyanlarının tek yönlü hareketlerine dik bir yönde görünümü.

Lorentz kuvvetleri, tüm taşıyıcıları telin bir tarafına taşıma eğilimindedir. Taşıyıcılar yüklü parçacıklar olduğundan, popülasyonlarının bu tür gradyanları, Lorentz kuvvetlerini dengeleyen ve kendileri bir elektrik akımını uyarabilen elektrik potansiyeli gradyanları da yaratır.

Böyle bir akımın varlığında Lorentz kuvvetleri, galvanomanyetik gerilimler ve direnç gerilimleri arasında üç bileşenli bir denge kurulur.

Elektronların rastgele hareketi, bir maddenin sıcaklığı tarafından belirlenen termal enerji ile desteklenir. Parçacıkları bir yönde hareket ettirmek için gereken enerji başka bir kaynaktan gelmelidir. Bu ikincisi, maddenin kendi içinde oluşamaz, eğer denge durumundaysa, enerjinin çevreden gelmesi gerekir.

Bu nedenle, galvanomanyetik dönüşüm, taşıyıcı popülasyon gradyanlarının ortaya çıkmasının bir sonucu olan elektriksel olaylarla ilişkilidir; bu tür gradyanlar, bir manyetik alana yerleştirildiklerinde ve dış ortamdan çeşitli etkilere maruz kaldıklarında katılarda kurulur ve başlangıç ​​koşullarında hareketi rastgele olan taşıyıcıların genel tek yönlü hareketine neden olur.

Galvanomanyetik etkilerin sınıflandırılması

Altı ana galvanomanyetik etki bilinmektedir:

1.Salon efektleri - zorlayıcı elektrik alanının etkisi altındaki taşıyıcıların hareketleri sırasında sapmalarının bir sonucu olarak elektrik potansiyeli gradyanlarının görünümü. Bu durumda, delikler ve elektronlar aynı anda veya ayrı ayrı zıt yönlerde hareket eder ve bu nedenle aynı yönde saparlar.

Bakmak - Hall sensörü uygulamaları

2. İlk etkiler - boşluklar ve elektronlar aynı anda veya ayrı ayrı aynı yönde hareket ederken ve bu nedenle zıt yönlerde saparken, zorunlu bir termal alanın etkisi altındaki taşıyıcıların hareketleri sırasında sapmalarının bir sonucu olarak elektrik potansiyeli gradyanlarının görünümü.

3. Fotoelektromanyetik ve mekanoelektromanyetik etkiler - zorlayıcı kimyasal alanın etkisi altındaki taşıyıcıların hareketleri sırasında sapmalarının bir sonucu olarak elektrik potansiyeli gradyanlarının görünümü (parçacık popülasyonunun gradyanları). Bu durumda çiftler halinde oluşan delikler ve elektronlar birlikte aynı yönde hareket eder ve bu nedenle zıt yönlerde saparlar.

4. Ettingshausen ve Riga — Leduc'un etkileri - sıcak taşıyıcılar soğuk olanlardan daha büyük ölçüde saptığında, taşıyıcı sapmasının bir sonucu olarak termal gradyanların görünümü. Termal gradyanlar Hall etkileriyle bağlantılı olarak ortaya çıkarsa, bu fenomene Ettingshausen etkisi, Nernst etkisiyle bağlantılı olarak ortaya çıkarsa, fenomene Rigi-Leduc etkisi denir.

5. Taşıyıcıların sürüş elektrik alanının etkisi altındaki hareketleri sırasında sapmalarının bir sonucu olarak elektrik direncinde artış. Burada aynı zamanda taşıyıcıların bir tarafına kayması nedeniyle iletkenin etkin kesit alanında bir azalma ve taşıyıcıların iletken yönünde kat ettikleri mesafede bir azalma olmaktadır. düz bir yol yerine kavisli bir yol boyunca hareket etmeleri nedeniyle yollarının uzamasından kaynaklanan akım.

6. Yukarıdakine benzer değişen koşullar sonucunda ısıl direncin artması.

Hall etkisi sensörü

Ana birleşik etkiler iki durumda ortaya çıkar:

• yukarıdaki olaylardan kaynaklanan potansiyel gradyanların etkisi altında elektrik akımının akışı için koşullar yaratıldığında;
• yukarıdaki olaylardan kaynaklanan termal gradyanların etkisi altında bir ısı akışının oluşumu için koşullar yaratıldığında.

Ek olarak, galvanomanyetik etkilerden birinin bir veya daha fazla galvanomanyetik olmayan etkiyle birleştirildiği birleşik etkiler de bilinmektedir.

1. Termal etkiler:

• sıcaklık değişimlerinden dolayı taşıyıcı hareketliliği değişir;
• elektron ve boşluk hareketlilikleri sıcaklığa bağlı olarak değişen derecelerde değişir;
• sıcaklık değişikliklerinden dolayı taşıyıcı popülasyon değişiklikleri;
• elektron ve delik popülasyonları, sıcaklıktaki değişiklikler nedeniyle değişen derecelerde değişir.

2. Anizotropinin etkileri. Kristal maddelerin anizotropik özellikleri, izotropik özelliklerle gözlemlenecek olgunun sonuçlarını değiştirir.

3. Termoelektrik etkiler:

• sıcak ve soğuk ortamın ayrılmasından kaynaklanan termal gradyanlar termoelektrik etkiler üretir;
• termoelektrik etkiler, taşıyıcı yanlılığının bir sonucu olarak artar, maddenin birim hacmi başına kimyasal potansiyeli, taşıyıcı popülasyondaki bir değişiklik nedeniyle değişir (Nerst etkileri).

4. Ferromanyetik etkiler. Ferromanyetik maddelerde taşıyıcı hareketliliği, manyetik alanın mutlak gücüne ve yönüne bağlıdır (Gauss etkisinde olduğu gibi).

5. Boyutların etkisi. Vücudun elektron yörüngelerine kıyasla büyük boyutları varsa, o zaman vücudun hacmi boyunca maddenin özellikleri elektron aktivitesi üzerinde baskın bir etkiye sahiptir. Vücudun boyutları elektron yörüngelerine göre küçükse, yüzey etkileri baskın olabilir.

6. Güçlü alanların etkisi. Galvanomanyetik olaylar, taşıyıcıların siklotron yörüngeleri boyunca ne kadar süre seyahat ettiklerine bağlıdır. Güçlü manyetik alanlarda, taşıyıcılar bu yol boyunca önemli bir mesafe kat edebilirler. Muhtemel farklı galvanomanyetik etkilerin toplam sayısı iki yüzden fazladır, ancak aslında bunların her biri yukarıda listelenen fenomenlerin birleştirilmesiyle elde edilebilir.

Ayrıca bakınız: Elektrik ve manyetizma, temel tanımlar, hareketli yüklü parçacıkların türleri