Lực Lawrence và hiệu ứng điện từ

Lực tác dụng lên các hạt mang điện chuyển động

Nếu một hạt tích điện chuyển động trong từ trường xung quanh, thì từ trường bên trong của hạt chuyển động đó và trường xung quanh tương tác với nhau, tạo ra một lực tác dụng lên hạt. Lực này có xu hướng làm đổi hướng chuyển động của hạt. Một hạt chuyển động duy nhất với một điện tích gây ra sự xuất hiện từ trường sinh học Savara.

Mặc dù trường Bio-Savart, nói một cách chính xác, chỉ được tạo ra bởi một sợi dây dài vô hạn trong đó nhiều hạt tích điện chuyển động, mặt cắt ngang của từ trường xung quanh quỹ đạo của một hạt riêng lẻ đi qua hạt đó có cấu hình tròn giống nhau.

Tuy nhiên, trường Bio-Savart không đổi trong cả không gian và thời gian, và trường của một hạt riêng lẻ được đo tại một điểm nhất định trong không gian thay đổi khi hạt đó chuyển động.

Định luật Lorentz xác định lực tác dụng lên hạt mang điện chuyển động trong từ trường:

F=kQB (dx/dt),

trong đó B - điện tích của hạt; B là cảm ứng của từ trường ngoài mà hạt chuyển động; dx/dt — vận tốc của hạt; F - lực tác dụng lên hạt; k - hằng số tỷ lệ.

Từ trường xung quanh quỹ đạo của electron được định hướng theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ vùng mà electron đang tiến tới. Trong các điều kiện chuyển động của electron, từ trường của nó hướng vào trường bên ngoài, làm suy yếu nó ở phần dưới của vùng được hiển thị và trùng với trường bên ngoài, tăng cường nó ở phần trên.

Cả hai yếu tố dẫn đến một lực hướng xuống tác dụng lên electron. Dọc theo một đường thẳng trùng với hướng của từ trường ngoài, từ trường của electron hướng vuông góc với từ trường ngoài. Với hướng vuông góc lẫn nhau của các trường như vậy, sự tương tác của chúng không tạo ra bất kỳ lực nào.

Nói ngắn gọn, nếu một hạt tích điện âm chuyển động từ trái sang phải trong một mặt phẳng và từ trường ngoài được hướng bởi người quan sát ở độ sâu của sơ đồ, thì lực Lorentz tác dụng lên hạt sẽ hướng từ trên xuống dưới.

Các lực tác dụng lên một hạt tích điện âm có quỹ đạo vuông góc với vectơ lực của từ trường ngoài

Quyền năng của Lawrence

Một sợi dây chuyển động trong không gian đi qua các đường sức của từ trường tồn tại trong không gian này, do đó một trường cưỡng bức cơ học nhất định tác động lên các electron bên trong dây.

Chuyển động của các electron trong từ trường xảy ra cùng với dây dẫn.Chuyển động này có thể bị hạn chế bởi tác động của bất kỳ lực nào cản trở chuyển động của dây dẫn; tuy nhiên, theo hướng di chuyển của dây dẫn, các electron không bị ảnh hưởng bởi điện trở.

Giữa hai đầu của một dây như vậy, một điện áp Lorentz được tạo ra, tỷ lệ thuận với tốc độ chuyển động và cảm ứng từ. Lực Lorentz di chuyển các electron dọc theo dây theo một hướng, dẫn đến nhiều electron tích tụ ở một đầu của dây hơn ở đầu kia.

Điện áp được tạo ra bởi sự phân tách điện tích này có xu hướng đưa các electron trở lại sự phân bố đồng đều và cuối cùng trạng thái cân bằng được thiết lập trong khi vẫn duy trì một điện áp nhất định tỷ lệ với tốc độ của dây dẫn. Nếu bạn tạo các điều kiện để dòng điện có thể chạy trong dây, thì một điện áp sẽ được thiết lập trong mạch ngược với điện áp Lorentz ban đầu.

Ảnh cho thấy một thiết lập thử nghiệm để chứng minh lực Lorentz. Hình bên trái: trông như thế nào Hình bên phải: Hiệu ứng lực Lorentz. Một êlectron bay từ đầu bên phải sang đầu bên trái.Lực từ cắt ngang đường bay và làm lệch chùm êlectron xuống dưới.

Vì dòng điện là chuyển động có trật tự của các điện tích nên tác dụng của từ trường lên dây dẫn mang dòng điện là kết quả tác dụng của nó lên các điện tích chuyển động riêng lẻ.

Ứng dụng chính của lực Lorentz là trong các máy điện (máy phát điện và động cơ).

Lực tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện trong từ trường bằng tổng vectơ của các lực Lorentz tác dụng lên mỗi hạt mang điện. Lực này được gọi là lực Ampe, tức làLực Ampe bằng tổng của tất cả các lực Lorentz tác dụng lên một dây dẫn mang dòng điện. Nhìn: Định luật Ampe

Hiệu ứng điện từ

Các hậu quả khác nhau do tác dụng của lực Lorentz gây ra sự lệch quỹ đạo của các hạt mang điện tích âm - các electron khi di chuyển qua chất rắn được gọi là hiệu ứng điện từ.

Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn đặc đặt trong từ trường, các êlectron mang dòng điện đó bị lệch theo phương vuông góc với cả phương của dòng điện và phương của từ trường. Các electron chuyển động càng nhanh thì chúng càng bị lệch hướng.

Do sự lệch hướng của các electron, độ dốc của điện thế được thiết lập theo hướng vuông góc với hướng của dòng điện. Do thực tế là các electron chuyển động nhanh hơn bị lệch hướng nhiều hơn so với các electron chuyển động chậm hơn, các gradient nhiệt phát sinh, cũng vuông góc với hướng của dòng điện.

Như vậy, hiệu ứng điện từ bao gồm hiện tượng điện và nhiệt.

Cho rằng các electron có thể di chuyển dưới tác động của các trường điện, nhiệt và hóa học cưỡng bức, hiệu ứng điện từ được phân loại theo cả loại trường cưỡng bức và bản chất của hiện tượng kết quả - nhiệt hoặc điện.

Thuật ngữ "điện từ" chỉ đề cập đến một số hiện tượng quan sát được trong chất rắn, trong đó loại hạt duy nhất có khả năng di chuyển với bất kỳ lượng đáng kể nào là các electron, hoạt động như "tác nhân tự do" hoặc tác nhân hình thành cái gọi là lỗ trống.Do đó, hiện tượng điện từ cũng được phân loại tùy thuộc vào loại hạt tải điện liên quan đến chúng—electron tự do hoặc lỗ trống.

Một trong những biểu hiện của năng lượng nhiệt là chuyển động liên tục của một phần electron của bất kỳ chất rắn nào dọc theo các quỹ đạo ngẫu nhiên và với tốc độ ngẫu nhiên. Nếu các chuyển động này có các đặc điểm hoàn toàn ngẫu nhiên, thì tổng của tất cả các chuyển động riêng lẻ của các electron bằng 0 và không thể phát hiện bất kỳ hậu quả nào về độ lệch của các hạt riêng lẻ dưới tác động của lực Lorentz.

Nếu có một dòng điện, thì nó được mang bởi một số hạt tích điện hoặc hạt mang điện chuyển động cùng chiều hoặc cùng chiều.

Trong chất rắn, dòng điện phát sinh là kết quả của sự chồng chất của một số chuyển động đơn hướng tổng quát lên chuyển động ngẫu nhiên ban đầu của các electron. Trong trường hợp này, hoạt động của electron một phần là phản ứng ngẫu nhiên đối với tác dụng của năng lượng nhiệt và một phần là phản ứng đơn hướng đối với hiệu ứng tạo ra dòng điện.

Một chùm êlectron chuyển động theo quỹ đạo tròn trong từ trường không đổi. Ánh sáng tím thể hiện đường đi của electron trong ống này được tạo ra do sự va chạm của các electron với các phân tử khí.

Mặc dù bất kỳ chuyển động nào của các electron đều phản ứng với tác động của lực Lorentz, nhưng chỉ những chuyển động góp phần truyền dòng điện mới được phản ánh trong hiện tượng điện từ.

Vì vậy, hiện tượng điện từ là một trong những hệ quả của việc đặt một vật thể rắn trong từ trường và thêm chuyển động một chiều vào chuyển động của các electron của nó, mà ở những điều kiện ban đầu có tính chất ngẫu nhiên. sự xuất hiện của gradient dân số của các hạt tải điện theo hướng vuông góc với chuyển động đơn hướng của chúng.

Lực Lorentz có xu hướng dịch chuyển tất cả các hạt tải điện về một phía của dây dẫn. Vì các hạt mang điện là các hạt tích điện, nên những gradient dân số như vậy của chúng cũng tạo ra những gradient điện thế cân bằng với lực Lorentz và bản thân chúng có thể kích thích dòng điện.

Khi có dòng điện như vậy, trạng thái cân bằng ba thành phần được thiết lập giữa lực Lorentz, điện áp điện từ và điện áp điện trở.

Chuyển động ngẫu nhiên của các electron được hỗ trợ bởi năng lượng nhiệt, được xác định bởi nhiệt độ của một chất. Năng lượng cần thiết để giữ cho các hạt di chuyển theo một hướng phải đến từ một nguồn khác. Cái sau này không thể được hình thành bên trong bản thân chất, nếu nó ở trạng thái cân bằng, năng lượng phải đến từ môi trường.

Do đó, chuyển đổi điện từ có liên quan đến các hiện tượng điện là hệ quả của sự xuất hiện của gradient mật độ hạt tải điện; các gradient đó hình thành trong chất rắn khi chúng được đặt trong từ trường và chịu nhiều tác động khác nhau của môi trường bên ngoài, gây ra chuyển động chung một chiều của các hạt tải điện mà chuyển động của chúng ở điều kiện ban đầu là ngẫu nhiên.

Phân loại hiệu ứng điện từ

Sáu hiệu ứng điện từ chính được biết đến:

1.hiệu ứng hội trường - sự xuất hiện của gradient điện thế do độ lệch của các hạt tải điện trong quá trình chuyển động của chúng dưới tác động của điện trường cưỡng bức. Trong trường hợp này, các lỗ trống và các electron đồng thời hoặc riêng lẻ chuyển động ngược chiều nhau và do đó lệch theo cùng một hướng.

Nhìn - Ứng dụng cảm biến Hall

2. Hiệu ứng Ners - sự xuất hiện của gradient điện thế do sự lệch hướng của các hạt tải điện trong quá trình chuyển động của chúng dưới tác động của trường nhiệt cưỡng bức, trong khi các lỗ trống và electron đồng thời hoặc riêng rẽ chuyển động theo cùng một hướng và do đó lệch theo hướng ngược lại.

3. Hiệu ứng quang điện từ và cơ điện từ - sự xuất hiện của gradient điện thế do độ lệch của các hạt tải điện trong quá trình chuyển động của chúng dưới tác động của trường hóa học cưỡng bức (gradient của quần thể hạt). Trong trường hợp này, các lỗ trống và các electron được hình thành theo cặp cùng chuyển động theo cùng một hướng và do đó lệch hướng ngược nhau.

4. Ảnh hưởng của Ettingshausen và Riga — Leduc - sự xuất hiện của gradien nhiệt do sự lệch hướng của chất mang, khi chất mang nóng bị lệch nhiều hơn so với chất mang lạnh. Nếu gradient nhiệt xảy ra liên quan đến hiệu ứng Hall, thì hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Ettingshausen, nếu chúng xảy ra liên quan đến hiệu ứng Nernst, thì hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Rigi-Leduc.

5. Tăng điện trở do sự lệch hướng của các hạt tải điện trong quá trình chuyển động của chúng dưới tác động của điện trường điều khiển. Ở đây, đồng thời, có sự giảm diện tích tiết diện hiệu quả của dây dẫn do sự dịch chuyển của các hạt tải điện sang một bên của nó và giảm khoảng cách mà các hạt tải điện di chuyển theo hướng của nó. dòng điện do kéo dài đường đi của chúng do di chuyển dọc theo đường cong thay vì đường thẳng.

6. Tăng điện trở nhiệt do thay đổi các điều kiện tương tự như trên.

Cảm biến hiệu ứng hall

Các hiệu ứng kết hợp chính xảy ra trong hai trường hợp:

• khi các điều kiện được tạo ra cho dòng điện dưới tác động của các gradient tiềm năng do các hiện tượng trên;
• khi các điều kiện được tạo ra để hình thành dòng nhiệt dưới tác động của gradient nhiệt do các hiện tượng trên.

Ngoài ra, các hiệu ứng kết hợp đã được biết đến, trong đó một trong các hiệu ứng điện từ được kết hợp với một hoặc nhiều hiệu ứng không điện từ.

1. Hiệu ứng nhiệt:

• tính di động của chất mang thay đổi do thay đổi nhiệt độ;
• độ linh động của điện tử và lỗ trống thay đổi theo mức độ khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ;
• số lượng người vận chuyển thay đổi do thay đổi nhiệt độ;
• mật độ electron và lỗ trống thay đổi theo các mức độ khác nhau do sự thay đổi nhiệt độ.

2. Ảnh hưởng của dị hướng. Các đặc điểm dị hướng của các chất kết tinh làm thay đổi kết quả của hiện tượng sẽ được quan sát với các đặc điểm đẳng hướng.

3. Hiệu ứng nhiệt điện:

• độ dốc nhiệt do sự tách biệt của môi trường ấm và lạnh tạo ra hiệu ứng nhiệt điện;
• hiệu ứng nhiệt điện được tăng cường do sự sai lệch của chất mang, tiềm năng hóa học trên một đơn vị thể tích của chất thay đổi do sự thay đổi trong quần thể chất mang (hiệu ứng Nerst).

4. Hiệu ứng sắt từ. Độ linh động của hạt tải điện trong chất sắt từ phụ thuộc vào cường độ và hướng tuyệt đối của từ trường (như trong hiệu ứng Gaussian).

5. Ảnh hưởng của kích thước. Nếu cơ thể có kích thước lớn so với quỹ đạo của electron, thì các tính chất của chất trong toàn bộ thể tích của cơ thể có ảnh hưởng chủ yếu đến hoạt động của electron. Nếu kích thước của vật thể nhỏ so với quỹ đạo của electron, thì hiệu ứng bề mặt có thể chiếm ưu thế.

6. Ảnh hưởng của trường mạnh. Hiện tượng điện từ phụ thuộc vào thời gian các hạt tải điện di chuyển dọc theo quỹ đạo cyclotron của chúng. Trong từ trường mạnh, các hạt tải điện có thể di chuyển một khoảng cách đáng kể dọc theo con đường này. Tổng số hiệu ứng điện từ khác nhau có thể có là hơn hai trăm, nhưng trên thực tế, mỗi hiệu ứng trong số chúng có thể thu được bằng cách kết hợp các hiện tượng được liệt kê ở trên.

Xem thêm: Điện và từ, các định nghĩa cơ bản, các loại hạt mang điện chuyển động