כוח לורנס והשפעות גלוונומגנטיות

כוחות המופעלים על חלקיקים טעונים נעים

אם חלקיק טעון חשמלי נע בשדה מגנטי שמסביב, אז השדה המגנטי הפנימי של אותו חלקיק נע והשדה שמסביב מתקשרים, ויוצר כוח המופעל על החלקיק. כוח זה נוטה לשנות את כיוון התנועה של החלקיק. חלקיק בודד נע עם מטען חשמלי גורם להופעה שדה מגנטי של ביו-סבארה.

למרות ששדה Bio-Savart, למהדרין, נוצר רק על ידי חוט ארוך לאין שיעור בו נעים חלקיקים טעונים רבים, לחתך הרוחב של השדה המגנטי סביב מסלולו של חלקיק בודד העובר דרך אותו חלקיק יש אותה תצורה מעגלית.

עם זאת, שדה Bio-Savart קבוע גם במרחב וגם בזמן, והשדה של חלקיק בודד שנמדד בנקודה נתונה בחלל משתנה ככל שהחלקיק נע.

חוק לורנץ מגדיר את הכוח הפועל על חלקיק מטען חשמלי נע בשדה מגנטי:

F=kQB (dx/dt),

כאשר B - המטען החשמלי של החלקיק; B הוא אינדוקציה של השדה המגנטי החיצוני שבו החלקיק נע; dx/dt - מהירות החלקיקים; F - הכוח שנוצר על החלקיק; k - קבוע של מידתיות.

השדה המגנטי המקיף את מסלול האלקטרון מכוון עם כיוון השעון כאשר רואים אותו מהאזור אליו מתקרב האלקטרון. בתנאי תנועת האלקטרון, השדה המגנטי שלו מכוון נגד השדה החיצוני, מחליש אותו בחלק התחתון של האזור המוצג, וחופף לשדה החיצוני, מחזק אותו בחלקו העליון.

שני הגורמים מביאים לכוח כלפי מטה המופעל על האלקטרון. לאורך קו ישר החופף לכיוון השדה החיצוני, השדה המגנטי של האלקטרון מכוון בזווית ישרה לשדה החיצוני. עם כיוון כזה בניצב הדדי של השדות, האינטראקציה ביניהם אינה מייצרת כוחות כלשהם.

בקצרה, אם חלקיק בעל מטען שלילי נע משמאל לימין במישור והשדה המגנטי החיצוני מופנה על ידי הצופה לעומק התוכנית, אזי כוח לורנץ המופעל על החלקיק מופנה מלמעלה למטה.

כוחות הפועלים על חלקיק בעל מטען שלילי שמסלולו מכוון בניצב לווקטור הכוח של השדה המגנטי החיצוני

הכוחות של לורנס

חוט שנע במרחב חוצה את קווי הכוח של השדה המגנטי הקיים במרחב זה, כתוצאה מכך פועל שדה כפייה מכני מסוים על האלקטרונים שבתוך החוט.

תנועת האלקטרונים דרך שדה מגנטי מתרחשת יחד עם החוט.תנועה זו יכולה להיות מוגבלת על ידי פעולת כל כוחות המעכבים את תנועת המנצח; עם זאת, בכיוון הנסיעה של החוט, האלקטרונים אינם מושפעים מהתנגדות חשמלית.

בין שני הקצוות של חוט כזה, נוצר מתח לורנץ, שהוא פרופורציונלי למהירות התנועה והאינדוקציה המגנטית. כוחות לורנץ מניעים אלקטרונים לאורך החוט בכיוון אחד, וכתוצאה מכך מצטברים יותר אלקטרונים בקצה אחד של החוט מאשר בקצה השני.

המתח שנוצר מהפרדה זו של מטענים נוטה להחזיר את האלקטרונים לפיזור אחיד ובסופו של דבר נוצר שיווי משקל תוך שמירה על מתח מסוים פרופורציונלי למהירות החוט. אם תיצור תנאים שבהם זרם יכול לזרום בחוט, אז ייווצר מתח במעגל המנוגד למתח לורנץ המקורי.

התמונה מציגה מערך ניסוי להדגמת כוח לורנץ. תמונה שמאל: איך זה נראה מימין: אפקט כוח לורנץ. אלקטרון עף מקצה ימין לשמאל הכוח המגנטי חוצה את נתיב הטיסה ומסיט את אלומת האלקטרונים כלפי מטה.

מכיוון שזרם חשמלי הוא תנועה מסודרת של מטענים, ההשפעה של שדה מגנטי על מוליך נושא זרם היא תוצאה של פעולתו על מטענים נעים בודדים.

היישום העיקרי של כוח לורנץ הוא במכונות חשמליות (גנרטורים ומנועים).

הכוח הפועל על מוליך נושא זרם בשדה מגנטי שווה לסכום הווקטור של כוחות לורנץ הפועלים על כל נושא מטען. כוח זה נקרא כוח אמפר, כלומר.כוח אמפר שווה לסכום כל כוחות לורנץ הפועלים על מוליך נושא זרם. תראה: חוק אמפר

השפעות גלוונומגנטיות

השלכות שונות של פעולת כוחות לורנץ, הגורמות לסטייה במסלול של חלקיקים בעלי מטען שלילי - אלקטרונים, תוך כדי תנועה דרך מוצקים, נקראים השפעות גלוונומגנטיות.

כאשר זרם חשמלי זורם בחוט מוצק הממוקם בשדה מגנטי, האלקטרונים הנושאים את הזרם מוסטים לכיוון המאונך הן לכיוון הזרם והן לכיוון השדה המגנטי. ככל שהאלקטרונים נעים מהר יותר, כך הם מוסטים יותר.

כתוצאה מהסטת האלקטרונים נוצרים שיפועים של פוטנציאל חשמלי בכיוונים מאונכים לכיוון הזרם. בשל העובדה שהאלקטרונים הנעים מהר יותר מוסטים יותר מהנעים האיטיים יותר, נוצרים שיפועים תרמיים, גם בניצב לכיוון הזרם.

לפיכך, השפעות גלוונומגנטיות כוללות תופעות חשמליות ותרמיות.

בהתחשב בכך שהאלקטרונים יכולים לנוע תחת השפעת כפיית שדות חשמליים, תרמיים וכימיים, השפעות גלוונומגנטיות מסווגות הן לפי סוג שדה הכוח והן לפי אופי התופעות המתקבלות - תרמיות או חשמליות.

המונח "גלוונומגנטי" מתייחס רק לתופעות מסוימות הנצפות במוצקים, כאשר הסוג היחיד של חלקיקים המסוגלים לנוע בכל כמות ניכרת הם אלקטרונים, המתפקדים כ"סוכנים חופשיים" או כסוכנים ליצירת חורים כביכול.לכן, תופעות גלוונומגנטיות מסווגות גם בהתאם לסוג הנשא המעורב בהן - אלקטרונים חופשיים או חורים.

אחד הביטויים של אנרגיית החום הוא תנועה מתמשכת של חלק מהאלקטרונים של כל חומר מוצק לאורך מסלולים מכוונים באקראי ובמהירויות אקראיות. אם לתנועות אלה יש מאפיינים אקראיים לחלוטין, אז הסכום של כל התנועות האינדיבידואליות של האלקטרונים הוא אפס, ואי אפשר לזהות השלכות כלשהן של הסטיות של חלקיקים בודדים בהשפעת כוחות לורנץ.

אם יש זרם חשמלי, הוא נישא על ידי מספר מסוים של חלקיקים טעונים או נשאים הנעים באותו כיוון או באותו כיוון.

במוצקים, הזרם החשמלי נוצר כתוצאה מסופרפוזיציה של תנועה חד-כיוונית כללית כלשהי על התנועה האקראית המקורית של אלקטרונים. במקרה זה, פעילות האלקטרון היא בחלקה תגובה אקראית להשפעת האנרגיה התרמית ובחלקה תגובה חד-כיוונית להשפעה שיוצר זרם חשמלי.

אלומת אלקטרונים הנעה במסלול מעגלי בשדה מגנטי קבוע. האור הסגול המראה את נתיב האלקטרון בצינור הזה נוצר מהתנגשות של אלקטרונים עם מולקולות גז.

למרות שכל תנועה של אלקטרונים מגיבה לפעולת כוחות לורנץ, רק התנועות התורמות להעברת הזרם משתקפות בתופעות גלוונומגנטיות.

אז, תופעות גלוונומגנטיות הן אחת ההשלכות של הצבת גוף מוצק בשדה מגנטי והוספת תנועה חד-כיוונית לתנועת האלקטרונים שלו, שבתנאי ההתחלה הייתה אקראית בטבעה.אחת התוצאות של שילוב תנאים זה היא הופעת גרדיאנטים של אוכלוסייה של חלקיקי הנשאים בכיוון מאונך לתנועתם החד-כיוונית.

כוחות לורנץ נוטים להעביר את כל הנשאים לצד אחד של החוט. מכיוון שהנשאים הם חלקיקים טעונים, גרדיאנטים כאלה של אוכלוסייתם יוצרים גם גרדיאנטים של פוטנציאל חשמלי שמאזנים את כוחות לורנץ ויכולים בעצמם לעורר זרם חשמלי.

בנוכחות זרם כזה, נוצר שיווי משקל תלת רכיבי בין כוחות לורנץ, מתחים גלוונומגנטיים ומתחים התנגדות.

התנועה האקראית של אלקטרונים נתמכת על ידי אנרגיה תרמית, אשר נקבעת על ידי הטמפרטורה של חומר. האנרגיה הדרושה כדי לשמור על תנועת החלקיקים בכיוון אחד חייבת להגיע ממקור אחר. האחרון הזה לא יכול להיווצר בתוך החומר עצמו, אם הוא במצב שיווי משקל, האנרגיה חייבת להגיע מהסביבה.

לפיכך, המרה גלוונומגנטית קשורה לתופעות חשמליות שהן תוצאה של הופעת גרדיאנטים של אוכלוסיית נשאים; שיפועים כאלה נוצרים במוצקים כאשר הם ממוקמים בשדה מגנטי ונתונים להשפעות שונות מהסביבה החיצונית, מה שגורם לתנועה חד-כיוונית כללית של נשאים שתנועתם בתנאי ההתחלה היא אקראית.

סיווג של השפעות גלוונומגנטיות

ידועות שש השפעות גלוונומגנטיות עיקריות:

1.אפקטים של הול - הופעת שיפועים של הפוטנציאל החשמלי כתוצאה מסטיית הנשאים במהלך תנועתם בהשפעת השדה החשמלי הכופה. במקרה זה, חורים ואלקטרונים נעים בו זמנית או בנפרד בכיוונים מנוגדים ולכן סוטים לאותו כיוון.

תראה - יישומי חיישני הול

2. אפקטי נרסט - הופעת גרדיאנטים של פוטנציאל חשמלי כתוצאה מהסטת הנשאים במהלך תנועתם בהשפעת שדה תרמי מאולץ, בעוד החורים והאלקטרונים נעים בו זמנית או בנפרד לאותו כיוון ולכן סוטים לכיוונים מנוגדים.

3. השפעות פוטו-אלקטרומגנטיות ומכאנו-אלקטרומגנטיות - הופעת שיפועים של הפוטנציאל החשמלי כתוצאה מסטייה של הנשאים במהלך תנועתם בהשפעת השדה הכימי הכופה (שיפועים של אוכלוסיית החלקיקים). במקרה זה, החורים והאלקטרונים הנוצרים בזוגות נעים יחד באותו כיוון ולכן סוטים לכיוונים מנוגדים.

4. ההשפעות של אטינגהאוזן וריגה - לדוק - הופעת שיפועים תרמיים כתוצאה מהסטת נושא, כאשר נשאים חמים מוסטים במידה רבה יותר מאשר אלו קרים. אם הגרדיאנטים התרמיים מתרחשים בקשר עם אפקטי הול, אזי תופעה זו נקראת אפקט אטינגסהאוזן, אם הם מתרחשים בקשר לאפקט נרנסט, אזי התופעה נקראת אפקט ריגי-לדוק.

5. עלייה בהתנגדות החשמלית כתוצאה מהסטת מנשאים במהלך תנועתם בהשפעת שדה חשמלי מניע. כאן, במקביל, חלה ירידה בשטח החתך האפקטיבי של המוליך עקב הסטת המובילים לצד אחד שלו וירידה במרחק שעברו המובילים לכיוון זרם עקב הארכת נתיבם עקב תנועה לאורך נתיב מעוקל במקום ישר.

6. עלייה בהתנגדות התרמית כתוצאה משינוי תנאים דומים לאמור לעיל.

חיישן אפקט הול

ההשפעות המשולבות העיקריות מתרחשות בשני מקרים:

• כאשר נוצרים תנאים לזרימת זרם חשמלי בהשפעת שיפועים פוטנציאליים הנובעים מהתופעות לעיל;
• כאשר נוצרים תנאים להיווצרות זרימת חום בהשפעת שיפועים תרמיים הנובעים מהתופעות לעיל.

בנוסף, ידועות השפעות משולבות, שבהן משולבת אחת מהאפקטים הגלוונומגנטיים עם אפקט אחד או יותר לא-גלוונומגנטי.

1. השפעות תרמיות:

• שינויים בניידות הנשא עקב שינויי טמפרטורה;
• ניידות אלקטרונים וחורים משתנות בדרגות שונות בהתאם לטמפרטורה;
• שינויים באוכלוסיית הנשאים עקב שינויי טמפרטורה;
• אוכלוסיות האלקטרונים והחורים משתנות בדרגות שונות עקב שינויים בטמפרטורה.

2. השפעות של אניזוטרופיה. המאפיינים האניזוטרופיים של חומרים גבישיים משנים את תוצאות התופעה שתיצפה עם מאפיינים איזוטריים.

3. אפקטים תרמו-אלקטריים:

• שיפועים תרמיים עקב הפרדה של מדיה חמה וקרה מייצרים אפקטים תרמו-אלקטריים;
• ההשפעות התרמו-אלקטריות מתגברות כתוצאה מהטיית הנשאים, הפוטנציאל הכימי ליחידת נפח של החומר משתנה עקב שינוי באוכלוסיית הנשאים (השפעות נרסט).

4. השפעות פרומגנטיות. ניידות הנשא בחומרים פרומגנטיים תלויה בחוזק ובכיוון המוחלט של השדה המגנטי (כמו באפקט גאוס).

5. השפעת מידות. אם לגוף יש ממדים גדולים בהשוואה למסלולי האלקטרונים, אזי לתכונות החומר בכל נפח הגוף יש השפעה מכרעת על פעילות האלקטרונים. אם מימדי הגוף קטנים בהשוואה למסלולי האלקטרונים, אז השפעות פני השטח עשויות לשלוט.

6. השפעת שדות חזקים. תופעות גלוונומגנטיות תלויות בכמה זמן הנשאים נעים לאורך מסלול הציקלוטרון שלהם. בשדות מגנטיים חזקים, הנשאים יכולים לעבור מרחק ניכר לאורך נתיב זה. המספר הכולל של השפעות גלוונומגנטיות שונות אפשריות הוא יותר ממאתיים, אך למעשה ניתן להשיג כל אחת מהן על ידי שילוב התופעות המפורטות לעיל.

ראה גם: חשמל ומגנטיות, הגדרות בסיסיות, סוגי חלקיקים טעונים נעים