Лоренсова сила и галваномагнетни ефекти

Силе које се примењују на покретне наелектрисане честице

Ако се електрично наелектрисана честица креће у околном магнетном пољу, онда унутрашње магнетно поље те покретне честице и околно поље међусобно делују, стварајући силу примењену на честицу. Ова сила тежи да промени смер кретања честице. Једна покретна честица са електричним набојем изазива појаву Био-Савара магнетно поље.

Иако се Био-Савартово поље, строго говорећи, генерише само бесконачно дугачком жицом у којој се креће много наелектрисаних честица, попречни пресек магнетног поља око путање појединачне честице која пролази кроз ту честицу има исту кружну конфигурацију.

Међутим, Био-Савартово поље је константно и у простору и у времену, а поље појединачне честице мерено у датој тачки простора мења се како се честица креће.

Лоренцов закон дефинише силу која делује на покретну електрично наелектрисану честицу у магнетном пољу:

Ф=кКБ (дк/дт),

где је Б — електрични набој честице; Б је индукција спољашњег магнетног поља у коме се честица креће; дк/дт — брзина честица; Ф — резултујућа сила на честицу; к — константа пропорционалности.

Магнетно поље које окружује путању електрона је усмерено у смеру казаљке на сату када се посматра из региона коме се електрон приближава. У условима кретања електрона, његово магнетно поље је усмерено против спољашњег поља, слабећи га у доњем делу приказаног региона, а поклапа се са спољашњим пољем, јачајући га у горњем делу.

Оба фактора доводе до сила које се примењује на електрон. Дуж праве линије која се поклапа са правцем спољашњег поља, магнетно поље електрона је усмерено под правим углом у односу на спољашње поље. Са таквим међусобно окомитим смером поља, њихова интеракција не ствара никакве силе.

Укратко, ако се негативно наелектрисана честица креће с лева на десно у равни и спољашње магнетно поље усмерава посматрач на дубину шеме, онда је Лоренцова сила примењена на честицу усмерена одозго према доле.

Силе које делују на негативно наелектрисану честицу чија је путања усмерена окомито на вектор силе спољашњег магнетног поља

Лоренсове моћи

Жица која се креће у простору прелази линије силе магнетног поља које постоји у овом простору, услед чега на електроне унутар жице делује одређено механичко коерцитивно поље.

Кретање електрона кроз магнетно поље се дешава заједно са жицом.Ово кретање може бити ограничено дејством било које силе која омета кретање проводника; међутим, у правцу кретања жице на електроне не утиче електрични отпор.

Између два краја такве жице ствара се Лоренцов напон, који је пропорционалан брзини кретања и магнетној индукцији. Лоренцове силе померају електроне дуж жице у једном смеру, што доводи до тога да се више електрона акумулира на једном крају жице него на другом.

Напон генерисан овим раздвајањем наелектрисања има тенденцију да врати електроне у равномерну дистрибуцију и на крају се успоставља равнотежа уз одржавање одређеног напона пропорционалног брзини жице. Ако створите услове у којима струја може да тече у жици, тада ће се у колу успоставити напон који је супротан оригиналном Лоренц напону.

Фотографија приказује експерименталну поставку за демонстрирање Лоренцове силе. Лева слика: како изгледа Десно: ефекат Лоренцове силе. Електрон лети са десног краја на лево.Магнетна сила прелази путању лета и одбија сноп електрона наниже.

Пошто је електрична струја уређено кретање наелектрисања, дејство магнетног поља на проводник са струјом је резултат његовог деловања на појединачна покретна наелектрисања.

Главна примена Лоренцове силе је у електричним машинама (генератори и мотори).

Сила која делује на проводник са струјом у магнетном пољу једнака је векторском збиру Лоренцових сила које делују на сваки носилац наелектрисања. Ова сила се назива Амперова сила, тј.Амперска сила је једнака збиру свих Лоренцових сила које делују на проводник са струјом. погледај: Амперов закон

Галваномагнетски ефекти

Различите последице деловања Лоренцових сила, које изазивају одступање путање негативно наелектрисаних честица – електрона, док се крећу кроз чврста тела, називају се галваномагнетним ефектима.

Када електрична струја тече у чврстој жици постављеној у магнетно поље, електрони који носе ту струју се одбијају у правцу који је управан и на смер струје и на смер магнетног поља. Што се електрони брже крећу, то се више одбијају.

Као резултат скретања електрона, градијенти електричног потенцијала се успостављају у правцима који су управни на смер струје. Због чињенице да се електрони који се брже крећу више се одбијају од оних који се спорије крећу, настају топлотни градијенти, такође окомити на смер струје.

Дакле, галваномагнетни ефекти укључују електричне и термичке појаве.

С обзиром на то да се електрони могу кретати под утицајем присилног електричног, топлотног и хемијског поља, галваномагнетни ефекти се класификују како по врсти силног поља тако и по природи насталих појава – топлотних или електричних.

Термин "галваномагнетски" односи се само на одређене појаве уочене у чврстим телима, где су једина врста честица способних да се крећу у било којој значајној количини електрони, који функционишу или као "слободни агенси" или као агенси за формирање такозваних рупа.Стога се галваномагнетне појаве такође класификују у зависности од врсте носиоца који је у њима укључен — слободних електрона или рупа.

Једна од манифестација топлотне енергије је непрекидно кретање дела електрона било које чврсте супстанце дуж насумично усмерених путања и насумичним брзинама. Ако ова кретања имају потпуно насумичне карактеристике, онда је збир свих појединачних кретања електрона нула и немогуће је открити било какве последице одступања појединих честица под утицајем Лоренцових сила.

Ако постоји електрична струја, ношена је одређеним бројем наелектрисаних честица или носача који се крећу у истом или истом правцу.

У чврстим телима, електрична струја настаје као резултат суперпозиције неког општег једносмерног кретања на првобитно насумично кретање електрона. У овом случају, активност електрона је делом случајни одговор на ефекат топлотне енергије, а делом једносмерни одговор на ефекат који генерише електричну струју.

Сноп електрона који се креће по кружној орбити у константном магнетном пољу. Љубичаста светлост која показује путању електрона у овој цеви настаје сударом електрона са молекулима гаса.

Иако свако кретање електрона одговара деловању Лоренцових сила, само она кретања која доприносе преносу струје одражавају се у галваномагнетним појавама.

Дакле, галваномагнетне појаве су једна од последица стављања чврстог тела у магнетно поље и додавања једносмерног кретања кретању његових електрона, које је у почетним условима било случајне природе.Један од резултата ове комбинације услова је појава градијената насељености честица носача у правцу управном на њихово једносмерно кретање.

Лоренцове силе теже да помере све носаче на једну страну жице. Пошто су носиоци наелектрисане честице, такви градијенти њихове популације такође стварају градијенте електричног потенцијала који балансирају Лоренцове силе и могу сами да побуде електричну струју.

У присуству такве струје успоставља се трокомпонентна равнотежа између Лоренцових сила, галваномагнетних напона и отпорних напона.

Насумично кретање електрона је подржано топлотном енергијом, која је одређена температуром супстанце. Енергија потребна да се честице крећу у једном правцу мора доћи из другог извора. Ово последње се не може формирати унутар саме супстанце, ако је у равнотежном стању, енергија мора доћи из околине.

Дакле, галваномагнетна конверзија је везана за електричне појаве које су последица појаве градијената популације носилаца; такви градијенти се успостављају у чврстим телима када се ставе у магнетно поље и подвргну различитим утицајима из спољашње средине, изазивајући опште једносмерно кретање носача чије је кретање у почетним условима насумично.

Класификација галваномагнетних ефеката

Познато је шест главних галваномагнетних ефеката:

1.Халл ефекти — појава градијената електричног потенцијала као резултат одступања носилаца при њиховом кретању под утицајем силујућег електричног поља. У овом случају, рупе и електрони се истовремено или појединачно крећу у супротним смеровима и стога одступају у истом правцу.

Погледај - Примене Халл сензора

2. Нерст ефекти — појава градијената електричног потенцијала као резултат отклона носача при њиховом кретању под утицајем принудног топлотног поља, док се рупе и електрони истовремено или одвојено крећу у истом правцу и стога одступају у супротним смеровима.

3. Фотоелектромагнетни и механоелектромагнетни ефекти — појава градијената електричног потенцијала као резултат одступања носилаца при њиховом кретању под утицајем присилног хемијског поља (градијенти насељености честица). У овом случају, рупе и електрони формирани у паровима крећу се заједно у истом правцу и стога одступају у супротним смеровима.

4. Ефекти Етингсхаузена и Риге — Ледук — појава термичких градијента као резултат скретања носача, када се врући носачи склањају у већој мери него хладни. Ако се топлотни градијенти јављају у вези са Холовим ефектима, онда се овај феномен назива Етингсхаузенов ефекат, ако се јављају у вези са Нернстовим ефектом, онда се феномен назива Риги-Ледуков ефекат.

5. Повећање електричног отпора као резултат скретања носача током њиховог кретања под утицајем погонског електричног поља. Овде, у исто време, долази до смањења ефективне површине попречног пресека проводника услед померања носача на једну његову страну и смањења удаљености коју носе носачи у правцу струја услед продужетка њиховог пута услед кретања кривом путањом уместо правом.

6. Повећање топлотног отпора као резултат промене услова сличних горе наведеним.

Сензор са Холовим ефектом

Главни комбиновани ефекти се јављају у два случаја:

• када се створе услови за проток електричне струје под утицајем градијената потенцијала који проистичу из наведених појава;
• када се створе услови за формирање топлотног тока под утицајем топлотних градијената који проистичу из наведених појава.

Поред тога, познати су комбиновани ефекти, у којима се један од галваномагнетних ефеката комбинује са једним или више не-галваномагнетних ефеката.

1. Топлотни ефекти:

• промене мобилности носача услед промена температуре;
• покретљивост електрона и рупа се мења у различитим степенима у зависности од температуре;
• промене популације носилаца услед промена температуре;
• популација електрона и рупа се мења у различитим степенима због промена температуре.

2. Ефекти анизотропије. Анизотропне карактеристике кристалних супстанци мењају резултате феномена који би се посматрао са изотропним карактеристикама.

3. Термоелектрични ефекти:

• топлотни градијенти услед раздвајања топлих и хладних медија стварају термоелектричне ефекте;
• термоелектрични ефекти су појачани као резултат пристрасности носача, хемијски потенцијал по јединици запремине супстанце се мења због промене популације носача (Нерст ефекти).

4. Феромагнетни ефекти. Покретљивост носача у феромагнетним супстанцама зависи од апсолутне јачине и правца магнетног поља (као код Гаусовог ефекта).

5. Утицај димензија. Ако тело има велике димензије у поређењу са путањама електрона, онда својства супстанце у целој запремини тела имају преовлађујући утицај на активност електрона. Ако су димензије тела мале у поређењу са путањама електрона, онда могу преовладавати површински ефекти.

6. Утицај јаких поља. Галваномагнетне појаве зависе од тога колико дуго носачи путују дуж своје циклотронске путање. У јаким магнетним пољима, носачи могу прећи знатну удаљеност дуж ове путање. Укупан број различитих могућих галваномагнетних ефеката је више од две стотине, али се у ствари сваки од њих може добити комбиновањем горе наведених појава.

Такође видети: Електрицитет и магнетизам, основне дефиниције, врсте покретних наелектрисаних честица