Lawrence-Kraft und galvanomagnetische Effekte

Kräfte, die auf sich bewegende geladene Teilchen wirken

Wenn sich ein elektrisch geladenes Teilchen in einem umgebenden Magnetfeld bewegt, interagieren das interne Magnetfeld dieses sich bewegenden Teilchens und das umgebende Feld und erzeugen eine auf das Teilchen ausgeübte Kraft. Diese Kraft hat die Tendenz, die Bewegungsrichtung des Teilchens zu ändern. Ein einzelnes bewegtes Teilchen mit elektrischer Ladung verursacht die Erscheinung Bio-Savara-Magnetfeld.

Obwohl das Bio-Savart-Feld streng genommen nur durch einen unendlich langen Draht erzeugt wird, in dem sich viele geladene Teilchen bewegen, hat der Querschnitt des Magnetfelds um die Flugbahn eines einzelnen Teilchens, das dieses Teilchen durchquert, die gleiche kreisförmige Konfiguration.

Allerdings ist das Bio-Savart-Feld sowohl räumlich als auch zeitlich konstant, und das an einem bestimmten Punkt im Raum gemessene Feld eines einzelnen Partikels ändert sich, wenn sich das Partikel bewegt.

Das Lorentzsche Gesetz definiert die Kraft, die auf ein sich bewegendes elektrisch geladenes Teilchen in einem Magnetfeld wirkt:

F=kQB (dx/dt),

wo B – die elektrische Ladung des Teilchens; B ist die Induktion des äußeren Magnetfeldes, in dem sich das Teilchen bewegt; dx/dt – Geschwindigkeit der Teilchen; F – die resultierende Kraft auf das Teilchen; k – Proportionalitätskonstante.

Das Magnetfeld, das die Flugbahn des Elektrons umgibt, ist von der Region aus gesehen, in die sich das Elektron nähert, im Uhrzeigersinn gerichtet. Unter den Bedingungen der Bewegung des Elektrons ist sein Magnetfeld gegen das äußere Feld gerichtet, wodurch es im unteren Teil des dargestellten Bereichs abgeschwächt wird, und fällt mit dem äußeren Feld zusammen, wodurch es im oberen Teil verstärkt wird.

Beide Faktoren führen zu einer nach unten gerichteten Kraft, die auf das Elektron ausgeübt wird. Entlang einer Geraden, die mit der Richtung des äußeren Feldes zusammenfällt, ist das Magnetfeld des Elektrons im rechten Winkel zum äußeren Feld gerichtet. Bei einer solchen zueinander senkrechten Ausrichtung der Felder entstehen durch deren Wechselwirkung keine Kräfte.

Zusamenfassend, Wenn sich ein negativ geladenes Teilchen in einer Ebene von links nach rechts bewegt und das äußere Magnetfeld vom Beobachter auf die Tiefe des Schemas gerichtet wird, dann ist die auf das Teilchen ausgeübte Lorentzkraft von oben nach unten gerichtet.

Kräfte, die auf ein negativ geladenes Teilchen wirken, dessen Flugbahn senkrecht zum Kraftvektor des äußeren Magnetfelds gerichtet ist

Lawrences Kräfte

Ein im Raum bewegter Draht kreuzt die Kraftlinien des in diesem Raum vorhandenen Magnetfeldes, wodurch auf die Elektronen im Inneren des Drahtes ein bestimmtes mechanisches Koerzitivfeld einwirkt.

Die Bewegung von Elektronen durch ein Magnetfeld erfolgt zusammen mit dem Draht.Diese Bewegung kann durch die Einwirkung von Kräften eingeschränkt werden, die die Bewegung des Leiters behindern; In der Bewegungsrichtung des Drahtes werden die Elektronen jedoch nicht durch den elektrischen Widerstand beeinflusst.

Zwischen den beiden Enden eines solchen Drahtes wird eine Lorentzspannung erzeugt, die proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit und der magnetischen Induktion ist. Lorentzkräfte bewegen Elektronen entlang des Drahtes in eine Richtung, was dazu führt, dass sich an einem Ende des Drahtes mehr Elektronen ansammeln als am anderen.

Die durch diese Ladungstrennung erzeugte Spannung bringt die Elektronen tendenziell wieder in eine gleichmäßige Verteilung und schließlich stellt sich ein Gleichgewicht ein, während eine bestimmte Spannung proportional zur Geschwindigkeit des Drahtes aufrechterhalten wird. Wenn Sie Bedingungen schaffen, unter denen Strom im Draht fließen kann, stellt sich im Stromkreis eine Spannung ein, die der ursprünglichen Lorentz-Spannung entgegengesetzt ist.

Das Foto zeigt einen Versuchsaufbau zur Demonstration der Lorentzkraft. Linkes Bild: So sieht es aus. Rechts: Lorentzkrafteffekt. Ein Elektron fliegt vom rechten Ende nach links. Die magnetische Kraft kreuzt die Flugbahn und lenkt den Elektronenstrahl nach unten ab.

Da es sich bei einem elektrischen Strom um eine geordnete Bewegung von Ladungen handelt, ist die Wirkung eines Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter das Ergebnis seiner Einwirkung auf einzelne bewegte Ladungen.

Die Hauptanwendung der Lorentzkraft liegt in elektrischen Maschinen (Generatoren und Motoren).

Die auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkende Kraft ist gleich der Vektorsumme der auf jeden Ladungsträger wirkenden Lorentzkräfte. Diese Kraft wird Ampere-Kraft genannt, d.h.Die Amperekraft ist gleich der Summe aller Lorentzkräfte, die auf einen stromdurchflossenen Leiter wirken. Sehen: Ampere-Gesetz

Galvanomagnetische Effekte

Verschiedene Folgen der Wirkung von Lorentzkräften, die eine Abweichung der Flugbahn negativ geladener Teilchen – Elektronen, während ihrer Bewegung durch Festkörper verursachen – werden als galvanomagnetische Effekte bezeichnet.

Wenn ein elektrischer Strom in einem massiven Draht fließt, der sich in einem Magnetfeld befindet, werden die diesen Strom tragenden Elektronen in eine Richtung abgelenkt, die sowohl zur Richtung des Stroms als auch zur Richtung des Magnetfelds senkrecht ist. Je schneller sich die Elektronen bewegen, desto stärker werden sie abgelenkt.

Durch die Ablenkung der Elektronen entstehen elektrische Potentialgradienten in Richtungen senkrecht zur Stromrichtung. Dadurch, dass die schnelleren Elektronen stärker abgelenkt werden als die langsameren, entstehen thermische Gradienten, auch senkrecht zur Stromrichtung.

Zu den galvanomagnetischen Effekten zählen somit elektrische und thermische Phänomene.

Da sich Elektronen unter dem Einfluss elektrischer, thermischer und chemischer Kraftfelder bewegen können, werden galvanomagnetische Effekte sowohl nach der Art des Kraftfeldes als auch nach der Art der daraus resultierenden Phänomene – thermisch oder elektrisch – klassifiziert.

Der Begriff „galvanomagnetisch“ bezieht sich nur auf bestimmte Phänomene, die in Festkörpern beobachtet werden, wo die einzigen Teilchen, die sich in nennenswertem Umfang bewegen können, Elektronen sind, die entweder als „freie Agenten“ oder als Agenten für die Bildung sogenannter Löcher fungieren.Daher werden galvanomagnetische Phänomene auch nach der Art des beteiligten Trägers klassifiziert – freie Elektronen oder Löcher.

Eine der Erscheinungsformen der Wärmeenergie ist die kontinuierliche Bewegung eines Teils der Elektronen einer festen Substanz entlang zufällig gerichteter Flugbahnen und mit zufälliger Geschwindigkeit. Wenn diese Bewegungen völlig zufällige Eigenschaften haben, dann ist die Summe aller Einzelbewegungen der Elektronen Null und es können keine Konsequenzen aus den Abweichungen einzelner Teilchen unter dem Einfluss der Lorentzkräfte festgestellt werden.

Liegt ein elektrischer Strom vor, wird dieser von einer bestimmten Anzahl geladener Teilchen oder Ladungsträger getragen, die sich in die gleiche bzw. in die gleiche Richtung bewegen.

In Festkörpern entsteht der elektrische Strom durch die Überlagerung einer allgemeinen unidirektionalen Bewegung mit der ursprünglichen zufälligen Bewegung der Elektronen. In diesem Fall ist die Elektronenaktivität teilweise eine zufällige Reaktion auf die Wirkung thermischer Energie und teilweise eine unidirektionale Reaktion auf die Wirkung, die einen elektrischen Strom erzeugt.

Ein Elektronenstrahl, der sich in einem konstanten Magnetfeld auf einer Kreisbahn bewegt. Das violette Licht, das den Weg eines Elektrons in dieser Röhre zeigt, entsteht durch die Kollision von Elektronen mit Gasmolekülen.

Obwohl jede Elektronenbewegung auf die Wirkung von Lorentzkräften reagiert, spiegeln sich in galvanomagnetischen Phänomenen nur die Bewegungen wider, die zur Stromübertragung beitragen.

Galvanomagnetische Phänomene sind also eine der Folgen, wenn ein fester Körper in ein Magnetfeld gebracht wird und der Bewegung seiner Elektronen, die unter den Anfangsbedingungen zufälliger Natur war, eine unidirektionale Bewegung hinzufügt. Eines der Ergebnisse dieser Kombination von Bedingungen ist die Auftreten von Populationsgradienten der Trägerpartikel in einer Richtung senkrecht zu ihrer unidirektionalen Bewegung.

Lorentzkräfte neigen dazu, alle Träger auf eine Seite des Drahtes zu bewegen. Da es sich bei den Trägern um geladene Teilchen handelt, erzeugen solche Gradienten ihrer Population auch elektrische Potentialgradienten, die die Lorentzkräfte ausgleichen und selbst einen elektrischen Strom anregen können.

Bei einem solchen Strom stellt sich ein Dreikomponentengleichgewicht zwischen Lorentzkräften, galvanomagnetischen Spannungen und Widerstandsspannungen ein.

Die zufällige Bewegung von Elektronen wird durch thermische Energie unterstützt, die durch die Temperatur eines Stoffes bestimmt wird. Die Energie, die benötigt wird, um die Teilchen in eine Richtung zu bewegen, muss aus einer anderen Quelle stammen. Letzteres kann nicht im Inneren des Stoffes selbst gebildet werden, befindet er sich im Gleichgewichtszustand, muss die Energie aus der Umgebung stammen.

Somit hängt die galvanomagnetische Umwandlung mit elektrischen Phänomenen zusammen, die eine Folge des Auftretens von Ladungsträgerpopulationsgradienten sind; Solche Gradienten entstehen in Festkörpern, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht und verschiedenen Einflüssen der äußeren Umgebung ausgesetzt werden, was zu einer allgemeinen unidirektionalen Bewegung von Trägern führt, deren Bewegung unter den Anfangsbedingungen zufällig ist.

Klassifizierung galvanomagnetischer Effekte

Es sind sechs hauptsächliche galvanomagnetische Effekte bekannt:

1.Hall-Effekte — das Auftreten von Gradienten des elektrischen Potentials als Folge der Abweichung der Träger während ihrer Bewegung unter dem Einfluss des erzwingenden elektrischen Feldes. Dabei bewegen sich Löcher und Elektronen gleichzeitig oder einzeln in entgegengesetzte Richtungen und weichen daher in die gleiche Richtung ab.

Sehen - Hall-Sensor-Anwendungen

2. Nest-Effekte — das Auftreten von elektrischen Potentialgradienten infolge der Ablenkung der Ladungsträger während ihrer Bewegung unter dem Einfluss eines erzwungenen Wärmefeldes, während sich Löcher und Elektronen gleichzeitig oder getrennt in die gleiche Richtung bewegen und daher in entgegengesetzte Richtungen abweichen.

3. Photoelektromagnetische und mechanoelektromagnetische Effekte — das Auftreten von Gradienten des elektrischen Potentials als Folge der Abweichung der Träger während ihrer Bewegung unter dem Einfluss des erzwingenden chemischen Feldes (Gradienten der Partikelpopulation). Dabei bewegen sich die paarweise gebildeten Löcher und Elektronen gemeinsam in die gleiche Richtung und weichen daher in entgegengesetzte Richtungen aus.

4. Die Auswirkungen von Ettingshausen und Riga – Leduc — das Auftreten von Wärmegradienten als Folge der Trägerablenkung, wenn heiße Träger stärker abgelenkt werden als kalte. Treten die thermischen Gradienten im Zusammenhang mit den Hall-Effekten auf, so spricht man von Ettingshausen-Effekt, treten sie im Zusammenhang mit dem Nernst-Effekt auf, spricht man von Rigi-Leduc-Effekt.

5. Erhöhung des elektrischen Widerstands infolge der Ablenkung von Trägern während ihrer Bewegung unter dem Einfluss eines treibenden elektrischen Feldes. Dabei kommt es gleichzeitig zu einer Verringerung der effektiven Querschnittsfläche des Leiters durch die Verschiebung der Träger zu einer Seite davon und zu einer Verringerung der von den Trägern in Richtung zurückgelegten Strecke Strom aufgrund der Verlängerung ihres Weges aufgrund der Bewegung auf einem gekrümmten Weg statt auf einem geraden Weg.

6. Erhöhung des Wärmewiderstands aufgrund sich ändernder Bedingungen ähnlich den oben genannten.

Hall-Effekt-Sensor

Die wichtigsten kombinierten Effekte treten in zwei Fällen auf:

• wenn Bedingungen für den Fluss von elektrischem Strom unter dem Einfluss von Potentialgradienten geschaffen werden, die sich aus den oben genannten Phänomenen ergeben;
• wenn Bedingungen für die Bildung eines Wärmeflusses unter dem Einfluss von Wärmegradienten geschaffen werden, die sich aus den oben genannten Phänomenen ergeben.

Darüber hinaus sind kombinierte Effekte bekannt, bei denen einer der galvanomagnetischen Effekte mit einem oder mehreren nichtgalvanomagnetischen Effekten kombiniert wird.

1. Thermische Effekte:

• Änderungen der Trägermobilität aufgrund von Temperaturänderungen;
• Elektronen- und Lochmobilitäten ändern sich je nach Temperatur in unterschiedlichem Maße;
• Veränderungen der Trägerpopulation aufgrund von Temperaturänderungen;
• Die Elektronen- und Lochpopulationen ändern sich aufgrund von Temperaturänderungen in unterschiedlichem Maße.

2. Auswirkungen der Anisotropie. Die anisotropen Eigenschaften kristalliner Substanzen verändern die Ergebnisse des Phänomens, das bei isotropen Eigenschaften beobachtet werden würde.

3. Thermoelektrische Effekte:

• Wärmegradienten aufgrund der Trennung von warmen und kalten Medien erzeugen thermoelektrische Effekte;
• Thermoelektrische Effekte werden durch die Trägervorspannung verstärkt, das chemische Potenzial pro Volumeneinheit der Substanz ändert sich aufgrund einer Änderung der Trägerpopulation (Nerst-Effekte).

4. Ferromagnetische Effekte. Die Ladungsträgermobilität in ferromagnetischen Substanzen hängt von der absoluten Stärke und Richtung des Magnetfelds ab (wie beim Gaußschen Effekt).

5. Einfluss der Abmessungen. Wenn der Körper im Vergleich zu den Elektronenbahnen große Abmessungen hat, dann haben die Eigenschaften der Substanz im gesamten Körpervolumen einen überwiegenden Einfluss auf die Elektronenaktivität. Wenn die Abmessungen des Körpers im Vergleich zu den Elektronenbahnen klein sind, können Oberflächeneffekte überwiegen.

6. Der Einfluss starker Felder. Galvanomagnetische Phänomene hängen davon ab, wie lange die Träger auf ihrer Zyklotronbahn zurücklegen. In starken Magnetfeldern können die Träger auf diesem Weg eine beträchtliche Strecke zurücklegen. Die Gesamtzahl der verschiedenen möglichen galvanomagnetischen Effekte beträgt mehr als zweihundert, aber tatsächlich kann jeder von ihnen durch die Kombination der oben aufgeführten Phänomene erzielt werden.

Siehe auch: Elektrizität und Magnetismus, grundlegende Definitionen, Arten bewegter geladener Teilchen