Forza di Lawrence ed effetti galvanomagnetici

Forze applicate a particelle cariche in movimento

Se una particella elettricamente carica si muove in un campo magnetico circostante, allora il campo magnetico interno di quella particella in movimento e il campo circostante interagiscono, generando una forza applicata alla particella. Questa forza tende a cambiare la direzione del moto della particella. Una singola particella in movimento con una carica elettrica provoca l'apparizione Campo magnetico Bio-Savara.

Sebbene il campo Bio-Savart, in senso stretto, sia generato solo da un filo infinitamente lungo in cui si muovono molte particelle cariche, la sezione trasversale del campo magnetico attorno alla traiettoria di una singola particella che passa attraverso quella particella ha la stessa configurazione circolare.

Tuttavia, il campo Bio-Savart è costante sia nello spazio che nel tempo, e il campo di una singola particella misurato in un dato punto nello spazio cambia mentre la particella si muove.

La legge di Lorentz definisce la forza che agisce su una particella elettricamente carica in movimento in un campo magnetico:

F=kQB (dx/dt),

dove B — la carica elettrica della particella; B è l'induzione del campo magnetico esterno in cui si muove la particella; dx/dt — velocità delle particelle; F — la forza risultante sulla particella; k — costante di proporzionalità.

Il campo magnetico che circonda la traiettoria dell'elettrone è diretto in senso orario se visto dalla regione in cui l'elettrone si sta avvicinando. Nelle condizioni del moto dell'elettrone, il suo campo magnetico è diretto contro il campo esterno, indebolendolo nella parte inferiore della regione mostrata, e coincide con il campo esterno, rafforzandolo nella parte superiore.

Entrambi i fattori si traducono in una forza verso il basso applicata all'elettrone. Lungo una linea retta coincidente con la direzione del campo esterno, il campo magnetico dell'elettrone è diretto perpendicolarmente al campo esterno. Con una tale direzione reciprocamente perpendicolare dei campi, la loro interazione non genera alcuna forza.

In breve, se una particella carica negativamente si muove da sinistra a destra in un piano e il campo magnetico esterno è diretto dall'osservatore alla profondità dello schema, allora la forza di Lorentz applicata alla particella è diretta dall'alto verso il basso.

Forze che agiscono su una particella carica negativamente la cui traiettoria è diretta perpendicolarmente al vettore forza del campo magnetico esterno

I poteri di Lorenzo

Un filo che si muove nello spazio attraversa le linee di forza del campo magnetico esistente in questo spazio, per cui un certo campo coercitivo meccanico agisce sugli elettroni all'interno del filo.

Il movimento degli elettroni attraverso un campo magnetico avviene insieme al filo.Questo movimento può essere limitato dall'azione di eventuali forze che impediscono il movimento del conduttore; tuttavia, nella direzione di marcia del filo, gli elettroni non sono influenzati dalla resistenza elettrica.

Tra le due estremità di tale filo si genera una tensione di Lorentz proporzionale alla velocità di movimento e all'induzione magnetica. Le forze di Lorentz spostano gli elettroni lungo il filo in una direzione, provocando l'accumulo di più elettroni a un'estremità del filo che all'altra.

La tensione generata da questa separazione di cariche tende a riportare gli elettroni ad una distribuzione uniforme e alla fine si ristabilisce l'equilibrio mantenendo una certa tensione proporzionale alla velocità del filo. Se crei condizioni in cui la corrente può fluire nel filo, nel circuito verrà stabilita una tensione opposta alla tensione di Lorentz originale.

La foto mostra una configurazione sperimentale per dimostrare la forza di Lorentz. Immagine a sinistra: come appare A destra: effetto della forza di Lorentz. Un elettrone vola dall'estremità destra a sinistra, la forza magnetica attraversa la traiettoria di volo e devia il fascio di elettroni verso il basso.

Poiché una corrente elettrica è un movimento ordinato di cariche, l'effetto di un campo magnetico su un conduttore percorso da corrente è il risultato della sua azione sulle singole cariche in movimento.

L'applicazione principale della forza di Lorentz è nelle macchine elettriche (generatori e motori).

La forza che agisce su un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico è uguale alla somma vettoriale delle forze di Lorentz che agiscono su ciascun portatore di carica. Questa forza è chiamata forza di Ampere, cioèAmpere forza è uguale alla somma di tutte le forze di Lorentz che agiscono su un conduttore percorso da corrente. Aspetto: Legge di Ampere

Effetti galvanomagnetici

Varie conseguenze dell'azione delle forze di Lorentz, che causano una deviazione della traiettoria delle particelle caricate negativamente - gli elettroni, mentre si muovono attraverso i solidi, sono chiamati effetti galvanomagnetici.

Quando una corrente elettrica scorre in un filo pieno posto in un campo magnetico, gli elettroni che trasportano quella corrente vengono deviati in una direzione perpendicolare sia alla direzione della corrente che alla direzione del campo magnetico. Più velocemente si muovono gli elettroni, più vengono deviati.

Come risultato della deflessione degli elettroni, si stabiliscono gradienti di potenziale elettrico in direzioni perpendicolari alla direzione della corrente. A causa del fatto che gli elettroni che si muovono più velocemente vengono deviati più di quelli che si muovono più lentamente, si verificano gradienti termici, anche perpendicolari alla direzione della corrente.

Pertanto, gli effetti galvanomagnetici includono fenomeni elettrici e termici.

Dato che gli elettroni possono muoversi sotto l'influenza di campi forzanti elettrici, termici e chimici, gli effetti galvanomagnetici sono classificati sia dal tipo di campo forzante sia dalla natura dei fenomeni risultanti - termici o elettrici.

Il termine "galvanomagnetico" si riferisce solo a certi fenomeni osservati nei solidi, dove l'unico tipo di particelle in grado di muoversi in quantità apprezzabile sono gli elettroni, funzionanti sia come "agenti liberi" sia come agenti per la formazione dei cosiddetti buchi.Pertanto, anche i fenomeni galvanomagnetici sono classificati in base al tipo di vettore coinvolto in essi: elettroni liberi o lacune.

Una delle manifestazioni dell'energia termica è il movimento continuo di una parte degli elettroni di qualsiasi sostanza solida lungo traiettorie dirette in modo casuale ea velocità casuali. Se questi movimenti hanno caratteristiche completamente casuali, allora la somma di tutti i singoli movimenti degli elettroni è zero ed è impossibile rilevare eventuali conseguenze delle deviazioni delle singole particelle sotto l'influenza delle forze di Lorentz.

Se c'è una corrente elettrica, è trasportata da un certo numero di particelle cariche o portatori che si muovono nella stessa o nella stessa direzione.

Nei solidi, la corrente elettrica nasce come risultato della sovrapposizione di un movimento unidirezionale generale sul movimento casuale originale degli elettroni. In questo caso l'attività dell'elettrone è in parte una risposta casuale all'effetto dell'energia termica e in parte una risposta unidirezionale all'effetto che genera una corrente elettrica.

Un fascio di elettroni che si muovono su un'orbita circolare in un campo magnetico costante. La luce viola che mostra il percorso di un elettrone in questo tubo è creata dalla collisione di elettroni con molecole di gas.

Sebbene qualsiasi movimento di elettroni risponda all'azione delle forze di Lorentz, solo quei movimenti che contribuiscono al trasferimento di corrente si riflettono nei fenomeni galvanomagnetici.

Quindi, i fenomeni galvanomagnetici sono una delle conseguenze dell'immissione di un corpo solido in un campo magnetico e dell'aggiunta di un moto unidirezionale al moto dei suoi elettroni, che nelle condizioni iniziali era di natura casuale.Uno dei risultati di questa combinazione di condizioni è il comparsa di gradienti di popolazione delle particelle portatrici in direzione perpendicolare al loro moto unidirezionale.

Le forze di Lorentz tendono a spostare tutti i vettori su un lato del filo. Poiché i portatori sono particelle cariche, tali gradienti della loro popolazione creano anche gradienti di potenziale elettrico che bilanciano le forze di Lorentz e possono essi stessi eccitare una corrente elettrica.

In presenza di tale corrente si stabilisce un equilibrio a tre componenti tra forze di Lorentz, tensioni galvanomagnetiche e tensioni resistive.

Il movimento casuale degli elettroni è supportato dall'energia termica, che è determinata dalla temperatura di una sostanza. L'energia necessaria per mantenere le particelle in movimento in una direzione deve provenire da un'altra fonte. Quest'ultima non può formarsi all'interno della sostanza stessa, se questa è in uno stato di equilibrio, l'energia deve provenire dall'ambiente.

Pertanto, la conversione galvanomagnetica è correlata a fenomeni elettrici che sono una conseguenza della comparsa di gradienti di popolazione di portatori; tali gradienti si instaurano nei solidi quando sono posti in un campo magnetico e sottoposti a varie influenze dell'ambiente esterno, provocando un movimento unidirezionale generale dei portatori il cui movimento nelle condizioni iniziali è casuale.

Classificazione degli effetti galvanomagnetici

Sono noti sei principali effetti galvanomagnetici:

1.Effetti Hall — la comparsa di gradienti del potenziale elettrico a seguito della deviazione dei portatori durante il loro movimento sotto l'influenza del campo elettrico forzante. In questo caso, lacune ed elettroni si muovono simultaneamente o individualmente in direzioni opposte e quindi deviano nella stessa direzione.

Aspetto - Applicazioni dei sensori Hall

2. Effetti Nerst — la comparsa di gradienti di potenziale elettrico come risultato della deflessione dei portatori durante il loro movimento sotto l'influenza di un campo termico forzato, mentre le lacune e gli elettroni si muovono simultaneamente o separatamente nella stessa direzione e quindi deviano in direzioni opposte.

3. Effetti fotoelettromagnetici e meccanoelettromagnetici — la comparsa di gradienti del potenziale elettrico come risultato della deviazione dei portatori durante il loro movimento sotto l'influenza del campo chimico forzante (gradienti della popolazione di particelle). In questo caso le lacune e gli elettroni formati a coppie si muovono insieme nella stessa direzione e quindi deviano in direzioni opposte.

4. Gli effetti di Ettingshausen e Riga — Leduc — la comparsa di gradienti termici come risultato della deflessione del vettore, quando i vettori caldi sono deviati in misura maggiore di quelli freddi. Se i gradienti termici si verificano in connessione con gli effetti Hall, allora questo fenomeno è chiamato effetto Ettingshausen, se si verificano in connessione con l'effetto Nernst, allora il fenomeno è chiamato effetto Rigi-Leduc.

5. Aumento della resistenza elettrica a seguito della deflessione dei portatori durante il loro movimento sotto l'influenza di un campo elettrico di guida. Qui, allo stesso tempo, vi è una diminuzione dell'area effettiva della sezione trasversale del conduttore dovuta allo spostamento dei vettori su un lato di esso e una diminuzione della distanza percorsa dai vettori nella direzione del corrente a causa dell'estensione del loro percorso dovuto al movimento lungo un percorso curvo anziché rettilineo.

6. Aumento della resistenza termica come risultato di condizioni mutevoli simili a quanto sopra.

Sensore ad effetto Hall

I principali effetti combinati si verificano in due casi:

• quando si creano le condizioni per il flusso di corrente elettrica sotto l'influenza di potenziali gradienti risultanti dai suddetti fenomeni;
• quando si creano le condizioni per la formazione di un flusso di calore sotto l'influenza dei gradienti termici risultanti dai suddetti fenomeni.

Inoltre, sono noti effetti combinati, in cui uno degli effetti galvanomagnetici è combinato con uno o più effetti non galvanomagnetici.

1. Effetti termici:

• cambiamenti di mobilità del portatore dovuti a variazioni di temperatura;
• le mobilità di elettroni e lacune cambiano a vari livelli a seconda della temperatura;
• variazioni della popolazione di portatori dovute a variazioni di temperatura;
• le popolazioni di elettroni e lacune cambiano a vari livelli a causa dei cambiamenti di temperatura.

2. Effetti dell'anisotropia. Le caratteristiche anisotrope delle sostanze cristalline alterano i risultati del fenomeno che si osserverebbero con caratteristiche isotrope.

3. Effetti termoelettrici:

• i gradienti termici dovuti alla separazione dei mezzi caldi e freddi generano effetti termoelettrici;
• gli effetti termoelettrici sono migliorati a causa della polarizzazione del vettore, il potenziale chimico per unità di volume della sostanza cambia a causa di un cambiamento nella popolazione del vettore (effetti Nerst).

4. Effetti ferromagnetici. La mobilità dei portatori nelle sostanze ferromagnetiche dipende dalla forza assoluta e dalla direzione del campo magnetico (come nell'effetto gaussiano).

5. Influenza delle dimensioni. Se il corpo ha grandi dimensioni rispetto alle traiettorie degli elettroni, allora le proprietà della sostanza in tutto il volume del corpo hanno un effetto predominante sull'attività dell'elettrone. Se le dimensioni del corpo sono piccole rispetto alle traiettorie degli elettroni, allora possono prevalere gli effetti di superficie.

6. L'influenza dei campi forti. I fenomeni galvanomagnetici dipendono dalla durata del viaggio dei portatori lungo la loro traiettoria ciclotronica. In forti campi magnetici, i portatori possono percorrere una distanza considerevole lungo questo percorso. Il numero totale di diversi possibili effetti galvanomagnetici è più di duecento, ma in realtà ciascuno di essi può essere ottenuto combinando i fenomeni sopra elencati.

Guarda anche: Elettricità e magnetismo, definizioni di base, tipi di particelle cariche in movimento