Daya Lawrence dan kesan galvanomagnetik

Daya dikenakan untuk menggerakkan zarah bercas

Jika zarah bercas elektrik bergerak dalam medan magnet sekeliling, maka medan magnet dalaman zarah bergerak itu dan medan sekeliling berinteraksi, menghasilkan daya yang dikenakan pada zarah. Daya ini cenderung mengubah arah pergerakan zarah. Satu zarah bergerak dengan cas elektrik menyebabkan penampilan Medan magnet Bio-Savara.

Walaupun medan Bio-Savart, secara tegasnya, hanya dihasilkan oleh wayar yang tidak terhingga panjang di mana banyak zarah bercas bergerak, keratan rentas medan magnet di sekeliling trajektori zarah individu yang melalui zarah itu mempunyai konfigurasi bulat yang sama.

Walau bagaimanapun, medan Bio-Savart adalah malar dalam kedua-dua ruang dan masa, dan medan zarah individu yang diukur pada titik tertentu dalam ruang berubah apabila zarah bergerak.

Undang-undang Lorentz mentakrifkan daya yang bertindak ke atas zarah bercas elektrik yang bergerak dalam medan magnet:

F=kQB (dx/dt),

di mana B - cas elektrik zarah; B ialah aruhan medan magnet luar di mana zarah bergerak; dx/dt — halaju zarah; F - daya yang terhasil pada zarah; k - pemalar kekadaran.

Medan magnet yang mengelilingi trajektori elektron diarahkan mengikut arah jam apabila dilihat dari kawasan yang didekati oleh elektron. Di bawah keadaan pergerakan elektron, medan magnetnya diarahkan ke medan luaran, melemahkannya di bahagian bawah kawasan yang ditunjukkan, dan bertepatan dengan medan luaran, menguatkannya di bahagian atas.

Kedua-dua faktor menghasilkan daya ke bawah yang dikenakan pada elektron. Sepanjang garis lurus yang bertepatan dengan arah medan luar, medan magnet elektron diarahkan pada sudut tepat ke medan luar. Dengan arah medan yang saling berserenjang sedemikian, interaksi mereka tidak menghasilkan sebarang daya.

Pendek kata, jika zarah bercas negatif bergerak dari kiri ke kanan dalam satah dan medan magnet luar diarahkan oleh pemerhati pada kedalaman skema, maka daya Lorentz yang dikenakan pada zarah diarahkan dari atas ke bawah.

Daya yang bertindak pada zarah bercas negatif yang trajektorinya diarahkan berserenjang dengan vektor daya medan magnet luar

Kuasa Lawrence

Kawat yang bergerak di angkasa melintasi garisan daya medan magnet yang ada dalam ruang ini, akibatnya medan paksaan mekanikal tertentu bertindak ke atas elektron di dalam wayar.

Pergerakan elektron melalui medan magnet berlaku bersama-sama dengan wayar.Pergerakan ini mungkin dihadkan oleh tindakan mana-mana daya yang menghalang pergerakan konduktor; bagaimanapun, dalam arah perjalanan wayar, elektron tidak dipengaruhi oleh rintangan elektrik.

Di antara dua hujung wayar tersebut, voltan Lorentz dihasilkan, yang berkadar dengan kelajuan pergerakan dan aruhan magnet. Daya Lorentz menggerakkan elektron di sepanjang wayar ke satu arah, menyebabkan lebih banyak elektron terkumpul di satu hujung wayar berbanding di hujung yang lain.

Voltan yang dijana oleh pemisahan cas ini cenderung untuk membawa elektron kembali kepada pengagihan seragam dan akhirnya keseimbangan diwujudkan sambil mengekalkan voltan tertentu yang berkadar dengan kelajuan wayar. Jika anda mencipta keadaan di mana arus boleh mengalir dalam wayar, maka voltan akan diwujudkan dalam litar yang bertentangan dengan voltan Lorentz asal.

Foto menunjukkan persediaan eksperimen untuk menunjukkan daya Lorentz. Imej kiri: rupanya Kanan: kesan daya Lorentz. Elektron terbang dari hujung kanan ke kiri. Daya magnet melintasi laluan penerbangan dan memesongkan pancaran elektron ke bawah.

Memandangkan arus elektrik ialah pergerakan tertib cas, kesan medan magnet pada konduktor pembawa arus adalah hasil tindakannya ke atas cas bergerak individu.

Aplikasi utama daya Lorentz adalah dalam mesin elektrik (penjana dan motor).

Daya yang bertindak ke atas konduktor pembawa arus dalam medan magnet adalah sama dengan jumlah vektor daya Lorentz yang bertindak pada setiap pembawa cas. Daya ini dipanggil daya Ampere, i.e.Daya ampere adalah sama dengan jumlah semua daya Lorentz yang bertindak pada konduktor pembawa arus. Lihat: Hukum Ampere

Kesan galvanomagnetik

Pelbagai akibat tindakan daya Lorentz, menyebabkan sisihan trajektori zarah bercas negatif - elektron, semasa bergerak melalui pepejal, dipanggil kesan galvanomagnetik.

Apabila arus elektrik mengalir dalam wayar pepejal yang diletakkan dalam medan magnet, elektron yang membawa arus itu terpesong ke arah yang berserenjang dengan kedua-dua arah arus dan arah medan magnet. Semakin cepat elektron bergerak, semakin banyak ia terpesong.

Hasil daripada pesongan elektron, kecerunan potensi elektrik diwujudkan dalam arah yang berserenjang dengan arah arus. Disebabkan oleh fakta bahawa elektron yang bergerak lebih pantas dipesongkan lebih daripada yang bergerak lebih perlahan, kecerunan terma timbul, juga berserenjang dengan arah arus.

Oleh itu, kesan galvanomagnetik termasuk fenomena elektrik dan haba.

Memandangkan elektron boleh bergerak di bawah pengaruh medan elektrik, haba dan kimia paksaan, kesan galvanomagnetik dikelaskan kedua-duanya mengikut jenis medan paksa dan oleh sifat fenomena yang terhasil - haba atau elektrik.

Istilah "galvanomagnetik" hanya merujuk kepada fenomena tertentu yang diperhatikan dalam pepejal, di mana satu-satunya jenis zarah yang mampu bergerak dalam apa-apa jumlah yang ketara ialah elektron, berfungsi sama ada sebagai "agen bebas" atau sebagai agen untuk pembentukan lubang yang dipanggil.Oleh itu, fenomena galvanomagnetik juga dikelaskan bergantung pada jenis pembawa yang terlibat di dalamnya - elektron bebas atau lubang.

Salah satu manifestasi tenaga haba ialah pergerakan berterusan sebahagian daripada elektron mana-mana bahan pepejal di sepanjang trajektori yang diarahkan secara rawak dan pada kelajuan rawak. Jika gerakan ini mempunyai ciri rawak sepenuhnya, maka jumlah semua gerakan individu elektron adalah sifar, dan adalah mustahil untuk mengesan sebarang akibat daripada sisihan zarah individu di bawah pengaruh daya Lorentz.

Sekiranya terdapat arus elektrik, ia dibawa oleh sejumlah zarah bercas atau pembawa yang bergerak dalam arah yang sama atau sama.

Dalam pepejal, arus elektrik timbul akibat daripada superposisi beberapa gerakan satu arah umum pada gerakan rawak asal elektron. Dalam kes ini, aktiviti elektron adalah sebahagiannya tindak balas rawak kepada kesan tenaga haba dan sebahagiannya tindak balas satu arah kepada kesan yang menghasilkan arus elektrik.

Pancaran elektron yang bergerak dalam orbit bulat dalam medan magnet malar. Cahaya ungu yang menunjukkan laluan elektron dalam tiub ini dicipta oleh perlanggaran elektron dengan molekul gas.

Walaupun sebarang pergerakan elektron bertindak balas kepada tindakan daya Lorentz, hanya pergerakan yang menyumbang kepada pemindahan arus yang dicerminkan dalam fenomena galvanomagnetik.

Jadi, fenomena galvanomagnetik adalah salah satu akibat meletakkan jasad pepejal dalam medan magnet dan menambah gerakan satu arah kepada gerakan elektronnya, yang di bawah keadaan awal bersifat rawak. Salah satu hasil gabungan keadaan ini ialah penampilan kecerunan populasi zarah pembawa dalam arah yang berserenjang dengan gerakan satu arahnya.

Daya Lorentz cenderung untuk memindahkan semua pembawa ke satu sisi wayar. Oleh kerana pembawa adalah zarah bercas, kecerunan populasi mereka juga mencipta kecerunan potensi elektrik yang mengimbangi daya Lorentz dan boleh merangsang arus elektrik dengan sendirinya.

Dengan kehadiran arus sedemikian, keseimbangan tiga komponen ditubuhkan antara daya Lorentz, voltan galvanomagnetik dan voltan perintang.

Pergerakan rawak elektron disokong oleh tenaga haba, yang ditentukan oleh suhu bahan. Tenaga yang diperlukan untuk memastikan zarah bergerak ke satu arah mesti datang dari sumber lain. Yang terakhir ini tidak boleh terbentuk di dalam bahan itu sendiri, jika ia berada dalam keadaan keseimbangan, tenaga mesti datang dari persekitaran.

Oleh itu, penukaran galvanomagnetik adalah berkaitan dengan fenomena elektrik yang merupakan akibat daripada penampilan kecerunan populasi pembawa; kecerunan tersebut ditubuhkan dalam pepejal apabila ia diletakkan dalam medan magnet dan tertakluk kepada pelbagai pengaruh dari persekitaran luaran, menyebabkan pergerakan satu arah am pembawa yang pergerakannya dalam keadaan awal adalah rawak.

Klasifikasi kesan galvanomagnetik

Enam kesan galvanomagnetik utama diketahui:

1.Kesan dewan — penampilan kecerunan potensi elektrik akibat sisihan pembawa semasa pergerakan mereka di bawah pengaruh medan elektrik memaksa. Dalam kes ini, lubang dan elektron secara serentak atau secara individu bergerak ke arah yang bertentangan dan oleh itu menyimpang ke arah yang sama.

Lihat - Aplikasi penderia dewan

2. Kesan saraf — penampilan kecerunan potensi elektrik akibat pesongan pembawa semasa pergerakannya di bawah pengaruh medan terma paksa, manakala lubang dan elektron secara serentak atau berasingan bergerak ke arah yang sama dan oleh itu menyimpang ke arah yang bertentangan.

3. Kesan fotoelektromagnet dan mekanoelektromagnet — penampilan kecerunan potensi elektrik akibat sisihan pembawa semasa pergerakan mereka di bawah pengaruh medan kimia memaksa (kecerunan populasi zarah). Dalam kes ini, lubang dan elektron yang terbentuk secara berpasangan bergerak bersama dalam arah yang sama dan oleh itu menyimpang ke arah yang bertentangan.

4. Kesan Ettingshausen dan Riga — Leduc — kemunculan kecerunan terma akibat pesongan pembawa, apabila pembawa panas terpesong ke tahap yang lebih besar daripada yang sejuk. Jika kecerunan terma berlaku berkaitan dengan kesan Hall, maka fenomena ini dipanggil kesan Ettingshausen, jika ia berlaku berkaitan dengan kesan Nernst, maka fenomena itu dipanggil kesan Rigi-Leduc.

5. Peningkatan rintangan elektrik akibat pesongan pembawa semasa pergerakannya di bawah pengaruh medan elektrik yang memandu. Di sini, pada masa yang sama, terdapat penurunan dalam luas keratan rentas efektif konduktor disebabkan oleh peralihan pembawa ke satu sisinya dan penurunan jarak yang dilalui oleh pembawa ke arah arus kerana lanjutan laluan mereka kerana bergerak di sepanjang laluan melengkung dan bukannya lurus.

6. Peningkatan rintangan haba akibat daripada perubahan keadaan yang serupa dengan di atas.

Penderia kesan dewan

Kesan gabungan utama berlaku dalam dua kes:

• apabila keadaan dicipta untuk aliran arus elektrik di bawah pengaruh kecerunan berpotensi yang terhasil daripada fenomena di atas;
• apabila keadaan dicipta untuk pembentukan aliran haba di bawah pengaruh kecerunan haba yang terhasil daripada fenomena di atas.

Di samping itu, kesan gabungan diketahui, di mana salah satu kesan galvanomagnetik digabungkan dengan satu atau lebih kesan bukan galvanomagnetik.

1. Kesan terma:

• perubahan mobiliti pembawa akibat perubahan suhu;
• mobiliti elektron dan lubang berubah kepada darjah yang berbeza-beza bergantung pada suhu;
• perubahan populasi pembawa akibat perubahan suhu;
• populasi elektron dan lubang berubah kepada darjah yang berbeza-beza disebabkan oleh perubahan suhu.

2. Kesan anisotropi. Ciri anisotropik bahan kristal mengubah keputusan fenomena yang akan diperhatikan dengan ciri isotropik.

3. Kesan termoelektrik:

• kecerunan haba akibat pemisahan media panas dan sejuk menjana kesan termoelektrik;
• kesan termoelektrik dipertingkatkan akibat bias pembawa, potensi kimia per unit isipadu bahan berubah disebabkan oleh perubahan dalam populasi pembawa (kesan Nerst).

4. Kesan feromagnetik. Mobiliti pembawa dalam bahan feromagnetik bergantung kepada kekuatan mutlak dan arah medan magnet (seperti dalam kesan Gaussian).

5. Pengaruh dimensi. Jika badan mempunyai dimensi yang besar berbanding dengan trajektori elektron, maka sifat bahan di seluruh isipadu badan mempunyai kesan utama terhadap aktiviti elektron. Jika dimensi badan adalah kecil berbanding dengan trajektori elektron, maka kesan permukaan mungkin mendominasi.

6. Pengaruh medan yang kuat. Fenomena galvanomagnetik bergantung pada berapa lama pembawa bergerak sepanjang trajektori siklotron mereka. Dalam medan magnet yang kuat, pembawa boleh menempuh jarak yang agak jauh di sepanjang laluan ini. Jumlah bilangan kesan galvanomagnetik yang mungkin berbeza adalah lebih daripada dua ratus, tetapi sebenarnya setiap daripada mereka boleh diperolehi dengan menggabungkan fenomena yang disenaraikan di atas.

Lihat juga: Elektrik dan kemagnetan, definisi asas, jenis zarah bercas yang bergerak