Força de Lawrence i efectes galvanomagnètics
Forces aplicades a partícules carregades en moviment
Si una partícula carregada elèctricament es mou en un camp magnètic circumdant, aleshores el camp magnètic intern d'aquesta partícula en moviment i el camp circumdant interactuen, generant una força aplicada a la partícula. Aquesta força tendeix a canviar la direcció del moviment de la partícula. Una única partícula en moviment amb una càrrega elèctrica provoca l'aparició Camp magnètic Bio-Savara.
Encara que el camp de Bio-Savart, en sentit estricte, només es genera per un cable infinitament llarg en el qual es mouen moltes partícules carregades, la secció transversal del camp magnètic al voltant de la trajectòria d'una partícula individual que passa per aquesta partícula té la mateixa configuració circular.
Tanmateix, el camp de Bio-Savart és constant tant en l'espai com en el temps, i el camp d'una partícula individual mesurada en un punt determinat de l'espai canvia a mesura que la partícula es mou.
La llei de Lorentz defineix la força que actua sobre una partícula carregada elèctricament en moviment en un camp magnètic:
F=kQB (dx/dt),
on B — la càrrega elèctrica de la partícula; B és la inducció del camp magnètic extern en el qual es mou la partícula; dx/dt — velocitat de les partícules; F — la força resultant sobre la partícula; k — constant de proporcionalitat.
El camp magnètic que envolta la trajectòria de l'electró es dirigeix en el sentit de les agulles del rellotge quan es veu des de la regió a la qual s'acosta l'electró. En les condicions del moviment de l'electró, el seu camp magnètic es dirigeix contra el camp extern, debilitant-lo a la part inferior de la regió mostrada, i coincideix amb el camp extern, reforçant-lo a la part superior.
Tots dos factors donen lloc a una força descendent aplicada a l'electró. Al llarg d'una línia recta que coincideix amb la direcció del camp extern, el camp magnètic de l'electró es dirigeix en angle recte amb el camp extern. Amb una direcció tan perpendicular mútuament dels camps, la seva interacció no genera cap força.
En resum, si una partícula carregada negativament es mou d'esquerra a dreta en un pla i el camp magnètic extern és dirigit per l'observador a la profunditat de l'esquema, aleshores la força de Lorentz aplicada a la partícula es dirigeix de dalt a baix.
Forces que actuen sobre una partícula carregada negativament la trajectòria de la qual està dirigida perpendicularment al vector de força del camp magnètic extern
Els poders de Lawrence
Un fil que es mou a l'espai travessa les línies de força del camp magnètic existent en aquest espai, com a conseqüència del qual un determinat camp coercitiu mecànic actua sobre els electrons de l'interior del fil.
El moviment dels electrons a través d'un camp magnètic es produeix juntament amb el cable.Aquest moviment pot estar restringit per l'acció de qualsevol força que impedeixi el moviment del conductor; tanmateix, en el sentit de la marxa del cable, els electrons no es veuen afectats per la resistència elèctrica.
Entre els dos extrems d'aquest cable, es genera una tensió de Lorentz, que és proporcional a la velocitat de moviment i la inducció magnètica. Les forces de Lorentz mouen electrons al llarg del cable en una direcció, donant lloc a que s'acumulin més electrons a un extrem del cable que a l'altre.
La tensió generada per aquesta separació de càrregues tendeix a portar els electrons de nou a una distribució uniforme i, finalment, s'estableix l'equilibri mantenint una certa tensió proporcional a la velocitat del cable. Si creeu condicions on el corrent pugui fluir pel cable, s'establirà una tensió al circuit que és oposada a la tensió original de Lorentz.
La foto mostra una configuració experimental per demostrar la força de Lorentz. Imatge esquerra: com es veu Dreta: efecte de força de Lorentz. Un electró vola de l'extrem dret a l'esquerra, la força magnètica creua la trajectòria de vol i desvia el feix d'electrons cap avall.
Com que un corrent elèctric és un moviment ordenat de càrregues, l'efecte d'un camp magnètic sobre un conductor que transporta corrent és el resultat de la seva acció sobre càrregues en moviment individuals.
La principal aplicació de la força de Lorentz és en màquines elèctriques (generadors i motors).
La força que actua sobre un conductor que porta corrent en un camp magnètic és igual a la suma vectorial de les forces de Lorentz que actuen sobre cada portador de càrrega. Aquesta força s'anomena força d'Ampere, és a dir.La força d'amperi és igual a la suma de totes les forces de Lorentz que actuen sobre un conductor que porta corrent. Mira: Llei d'Ampere
Efectes galvanomagnètics
Diverses conseqüències de l'acció de les forces de Lorentz, que provoquen una desviació de la trajectòria de les partícules carregades negativament - els electrons, mentre es mouen a través dels sòlids, s'anomenen efectes galvanomagnètics.
Quan un corrent elèctric flueix en un cable sòlid situat en un camp magnètic, els electrons que transporten aquest corrent es desvien en una direcció perpendicular tant a la direcció del corrent com a la direcció del camp magnètic. Com més ràpid es mouen els electrons, més es desvien.
Com a resultat de la deflexió dels electrons, s'estableixen gradients de potencial elèctric en direccions perpendiculars a la direcció del corrent. A causa del fet que els electrons que es mouen més ràpid es desvien més que els que es mouen més lents, sorgeixen gradients tèrmics, també perpendiculars a la direcció del corrent.
Així, els efectes galvanomagnètics inclouen fenòmens elèctrics i tèrmics.
Atès que els electrons es poden moure sota la influència de camps elèctrics, tèrmics i químics forçats, els efectes galvanomagnètics es classifiquen tant pel tipus de camp de forçament com per la naturalesa dels fenòmens resultants, tèrmics o elèctrics.
El terme "galvanomagnètic" es refereix només a certs fenòmens observats en sòlids, on l'únic tipus de partícules capaços de moure's en una quantitat apreciable són els electrons, que funcionen com a "agents lliures" o com a agents per a la formació dels anomenats forats.Per tant, els fenòmens galvanomagnètics també es classifiquen en funció del tipus de portador implicat en ells: electrons lliures o forats.
Una de les manifestacions de l'energia tèrmica és el moviment continu d'una part dels electrons de qualsevol substància sòlida al llarg de trajectòries dirigides aleatòriament i a velocitats aleatòries. Si aquests moviments tenen característiques completament aleatòries, aleshores la suma de tots els moviments individuals dels electrons és zero, i és impossible detectar cap conseqüència de les desviacions de les partícules individuals sota la influència de les forces de Lorentz.
Si hi ha corrent elèctric, és transportat per un cert nombre de partícules carregades o portadors que es mouen en la mateixa o en la mateixa direcció.
En els sòlids, el corrent elèctric sorgeix com a resultat de la superposició d'algun moviment unidireccional general sobre el moviment aleatori original dels electrons. En aquest cas, l'activitat electrònica és en part una resposta aleatòria a l'efecte de l'energia tèrmica i en part una resposta unidireccional a l'efecte que genera un corrent elèctric.
Un feix d'electrons que es mou en una òrbita circular en un camp magnètic constant. La llum porpra que mostra el camí d'un electró en aquest tub es crea per la col·lisió d'electrons amb molècules de gas.
Encara que qualsevol moviment d'electrons respon a l'acció de les forces de Lorentz, només aquells moviments que contribueixen a la transferència de corrent es reflecteixen en els fenòmens galvanomagnètics.
Així doncs, els fenòmens galvanomagnètics són una de les conseqüències de col·locar un cos sòlid en un camp magnètic i afegir moviment unidireccional al moviment dels seus electrons, que en les condicions inicials era de naturalesa aleatòria.Un dels resultats d'aquesta combinació de condicions és la aparició de gradients de població de les partícules portadores en una direcció perpendicular al seu moviment unidireccional.
Les forces de Lorentz tendeixen a moure tots els portadors cap a un costat del cable. Com que els portadors són partícules carregades, aquests gradients de la seva població també creen gradients de potencial elèctric que equilibren les forces de Lorentz i poden excitar un corrent elèctric.
En presència d'aquest corrent, s'estableix un equilibri de tres components entre les forces de Lorentz, les tensions galvanomagnètiques i les tensions resistives.
El moviment aleatori dels electrons està recolzat per l'energia tèrmica, que està determinada per la temperatura d'una substància. L'energia necessària per mantenir les partícules en moviment en una direcció ha de provenir d'una altra font. Aquest últim no es pot formar dins de la mateixa substància, si es troba en estat d'equilibri, l'energia ha de provenir de l'entorn.
Així, la conversió galvanomagnètica està relacionada amb fenòmens elèctrics que són conseqüència de l'aparició de gradients de població de portadors; aquests gradients s'estableixen en sòlids quan es col·loquen en un camp magnètic i se sotmeten a diverses influències de l'entorn extern, provocant un moviment unidireccional general de portadors el moviment dels quals en les condicions inicials és aleatori.
Classificació dels efectes galvanomagnètics
Es coneixen sis efectes galvanomagnètics principals:
1.Efectes Hall — l'aparició de gradients del potencial elèctric com a resultat de la desviació dels portadors durant el seu moviment sota la influència del camp elèctric forçant. En aquest cas, els forats i els electrons es mouen simultàniament o individualment en direccions oposades i, per tant, es desvien en la mateixa direcció.
Mira - Aplicacions de sensors Hall
2. Efectes Nerst — l'aparició de gradients de potencial elèctric com a resultat de la deflexió dels portadors durant el seu moviment sota la influència d'un camp tèrmic forçat, mentre que els forats i els electrons es mouen simultàniament o per separat en la mateixa direcció i, per tant, es desvien en direccions oposades.
3. Efectes fotoelectromagnètics i mecanoelectromagnètics — l'aparició de gradients del potencial elèctric com a resultat de la desviació dels portadors durant el seu moviment sota la influència del camp químic forçant (gradients de la població de partícules). En aquest cas, els forats i els electrons formats per parelles es mouen junts en la mateixa direcció i, per tant, es desvien en direccions oposades.
4. Els efectes d'Ettingshausen i Riga — Leduc — L'aparició de gradients tèrmics com a resultat de la deflexió del portador, quan els portadors calents es desvien en major mesura que els freds. Si els gradients tèrmics es produeixen en relació amb els efectes Hall, aquest fenomen s'anomena efecte Ettingshausen, si es produeixen en relació amb l'efecte Nernst, el fenomen s'anomena efecte Rigi-Leduc.
5. Augment de la resistència elèctrica com a conseqüència de la deflexió dels portadors durant el seu moviment sota la influència d'un camp elèctric impulsor. Aquí, al mateix temps, hi ha una disminució de l'àrea de la secció transversal efectiva del conductor a causa del desplaçament dels portadors cap a un costat d'aquest i una disminució de la distància recorreguda pels portadors en la direcció del corrent a causa de l'extensió del seu camí a causa de moure's per un camí corb en lloc d'un recte.
6. Augment de la resistència tèrmica com a conseqüència de condicions canviants similars a les anteriors.
Sensor d'efecte Hall
Els principals efectes combinats es produeixen en dos casos:
- quan es creen les condicions per al flux de corrent elèctric sota la influència dels gradients de potencial derivats dels fenòmens anteriors;
- quan es creen les condicions per a la formació d'un flux de calor sota la influència dels gradients tèrmics derivats dels fenòmens anteriors.
A més, es coneixen efectes combinats, en què un dels efectes galvanomagnètics es combina amb un o més efectes no galvanomagnètics.
1. Efectes tèrmics:
- la mobilitat del transportista canvia a causa dels canvis de temperatura;
- les mobilitats d'electrons i forats canvien en diferents graus segons la temperatura;
- canvis de població de portadors a causa dels canvis de temperatura;
- les poblacions d'electrons i forats canvien en diferents graus a causa dels canvis de temperatura.
2. Efectes de l'anisotropia. Les característiques anisotròpiques de les substàncies cristal·lines alteren els resultats del fenomen que s'observaria amb característiques isòtropes.
3. Efectes termoelèctrics:
- els gradients tèrmics a causa de la separació de medis càlids i freds generen efectes termoelèctrics;
- Els efectes termoelèctrics es milloren com a resultat del biaix del portador, el potencial químic per unitat de volum de la substància canvia a causa d'un canvi en la població de portadors (efectes Nerst).
4. Efectes ferromagnètics. La mobilitat del portador en substàncies ferromagnètiques depèn de la força absoluta i la direcció del camp magnètic (com en l'efecte Gaussià).
5. Influència de les dimensions. Si el cos té grans dimensions en comparació amb les trajectòries d'electrons, aleshores les propietats de la substància en tot el volum del cos tenen un efecte predominant sobre l'activitat dels electrons. Si les dimensions del cos són petites en comparació amb les trajectòries d'electrons, llavors els efectes superficials poden predominar.
6. La influència dels camps forts. Els fenòmens galvanomagnètics depenen del temps que viatgen els portadors al llarg de la seva trajectòria de ciclotró. En camps magnètics forts, els portadors poden recórrer una distància considerable per aquest camí. El nombre total de diferents efectes galvanomagnètics possibles és de més de dos-cents, però de fet cadascun d'ells es pot obtenir combinant els fenòmens enumerats anteriorment.
Vegeu també: Electricitat i magnetisme, definicions bàsiques, tipus de partícules carregades en moviment