قوة لورنس والتأثيرات الجلفانية المغناطيسية

القوى المطبقة على تحريك الجسيمات المشحونة

إذا تحرك جسيم مشحون كهربائيًا في مجال مغناطيسي محيط ، فإن المجال المغناطيسي الداخلي لهذا الجسيم المتحرك والحقل المحيط به يتفاعلان ، مما يولد قوة مطبقة على الجسيم. تميل هذه القوة إلى تغيير اتجاه حركة الجسيم. يتسبب ظهور جسيم متحرك واحد بشحنة كهربائية المجال المغناطيسي الحيوي سافارا.

على الرغم من أن مجال Bio-Savart ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، يتم إنشاؤه فقط من خلال سلك طويل بلا حدود تتحرك فيه العديد من الجسيمات المشحونة ، إلا أن المقطع العرضي للحقل المغناطيسي حول مسار جسيم فردي يمر عبر هذا الجسيم له نفس التكوين الدائري.

ومع ذلك ، فإن مجال Bio-Savart ثابت في كل من المكان والزمان ، ويتغير مجال الجسيم الفردي المقاس عند نقطة معينة في الفضاء مع تحرك الجسيم.

يعرّف قانون لورنتز القوة المؤثرة على جسيم متحرك مشحون كهربائيًا في مجال مغناطيسي:

F = kQB (dx / dt) ،

حيث ب - الشحنة الكهربائية للجسيم ؛ B هو تحريض المجال المغناطيسي الخارجي الذي يتحرك فيه الجسيم ؛ dx / dt - سرعة الجسيمات ؛ F - القوة الناتجة على الجسيم ؛ ك - ثابت التناسب.

يتم توجيه المجال المغناطيسي المحيط بمسار الإلكترون في اتجاه عقارب الساعة عند النظر إليه من المنطقة التي يقترب منها الإلكترون. في ظل ظروف حركة الإلكترون ، يتم توجيه مجاله المغناطيسي ضد المجال الخارجي ، مما يؤدي إلى إضعافه في الجزء السفلي من المنطقة الموضحة ، ويتزامن مع المجال الخارجي ، مما يؤدي إلى تقويته في الجزء العلوي.

يؤدي كلا العاملين إلى قوة هبوط مطبقة على الإلكترون. على طول خط مستقيم يتزامن مع اتجاه المجال الخارجي ، يتم توجيه المجال المغناطيسي للإلكترون بزوايا قائمة على المجال الخارجي. مع هذا الاتجاه العمودي المتبادل للحقول ، لا يولد تفاعلهم أي قوى.

باختصار، إذا تحرك جسيم سالب الشحنة من اليسار إلى اليمين في مستو وتم توجيه المجال المغناطيسي الخارجي بواسطة المراقب إلى عمق المخطط ، فإن قوة لورنتز المطبقة على الجسيم يتم توجيهها من أعلى إلى أسفل.

القوى المؤثرة على جسيم سالب الشحنة يتم توجيه مساره بشكل عمودي على متجه القوة للمجال المغناطيسي الخارجي

سلطات لورانس

يتقاطع السلك المتحرك في الفضاء مع خطوط القوة للمجال المغناطيسي الموجود في هذا الفضاء ، ونتيجة لذلك يعمل مجال قسري ميكانيكي معين على الإلكترونات داخل السلك.

تحدث حركة الإلكترونات عبر المجال المغناطيسي مع السلك.قد يتم تقييد هذه الحركة بفعل أي قوى تعيق حركة الموصل ؛ ومع ذلك ، في اتجاه انتقال السلك ، لا تتأثر الإلكترونات بالمقاومة الكهربائية.

بين طرفي هذا السلك ، يتم إنشاء جهد لورنتز ، والذي يتناسب مع سرعة الحركة والحث المغناطيسي. تقوم قوى لورنتز بتحريك الإلكترونات على طول السلك في اتجاه واحد ، مما يؤدي إلى تراكم المزيد من الإلكترونات في أحد طرفي السلك أكثر من الطرف الآخر.

يميل الجهد الناتج عن فصل الشحنات هذا إلى إعادة الإلكترونات إلى توزيع منتظم وفي النهاية يتم إنشاء التوازن مع الحفاظ على جهد معين يتناسب مع سرعة السلك. إذا قمت بإنشاء ظروف يمكن أن يتدفق فيها التيار في السلك ، فسيتم إنشاء جهد في الدائرة عكس جهد لورنتز الأصلي.

تُظهر الصورة إعدادًا تجريبيًا لإظهار قوة لورنتز. الصورة اليسرى: ما يبدو على اليمين: تأثير قوة لورنتز. يتحرك الإلكترون من الطرف الأيمن إلى اليسار ، وتقطع القوة المغناطيسية مسار الرحلة وتحرف شعاع الإلكترون نحو الأسفل.

نظرًا لأن التيار الكهربائي عبارة عن حركة مرتبة للشحنات ، فإن تأثير المجال المغناطيسي على الموصل الحامل للتيار هو نتيجة تأثيره على الشحنات الفردية المتحركة.

التطبيق الرئيسي لقوة لورنتز هو في الآلات الكهربائية (المولدات والمحركات).

القوة المؤثرة على الموصل الحامل للتيار في مجال مغناطيسي تساوي مجموع متجه لقوى لورنتز التي تعمل على كل حامل شحنة. تسمى هذه القوة بقوة الأمبير ، أيقوة الأمبير تساوي مجموع كل قوى لورنتز التي تعمل على موصل حاصل للتيار. ينظر: قانون امبير

التأثيرات الجلفانية المغناطيسية

العواقب المختلفة لعمل قوى لورنتز ، التي تسبب انحراف مسار الجسيمات سالبة الشحنة - الإلكترونات ، أثناء تحركها عبر المواد الصلبة ، تسمى التأثيرات الجلفانية المغناطيسية.

عندما يتدفق تيار كهربائي في سلك صلب موضوع في مجال مغناطيسي ، تنحرف الإلكترونات التي تحمل هذا التيار في اتجاه عمودي على كل من اتجاه التيار واتجاه المجال المغناطيسي. كلما تحركت الإلكترونات بشكل أسرع ، كلما انحرفت.

نتيجة لانحراف الإلكترونات ، يتم إنشاء تدرجات الجهد الكهربائي في اتجاهات متعامدة مع اتجاه التيار. نظرًا لحقيقة انحراف الإلكترونات السريعة الحركة أكثر من الإلكترونات البطيئة الحركة ، تظهر التدرجات الحرارية ، وهي أيضًا متعامدة مع اتجاه التيار.

وبالتالي ، فإن التأثيرات الجلفانية المغناطيسية تشمل الظواهر الكهربائية والحرارية.

بالنظر إلى أن الإلكترونات يمكن أن تتحرك تحت تأثير إجبار المجالات الكهربائية والحرارية والكيميائية ، يتم تصنيف التأثيرات الجلفانومغناطيسية حسب نوع مجال التأثير وطبيعة الظواهر الناتجة - الحرارية أو الكهربائية.

يشير مصطلح "جلفانومغناطيسية" فقط إلى ظواهر معينة تُلاحظ في المواد الصلبة ، حيث يكون النوع الوحيد من الجسيمات القادرة على الحركة بأي كمية ملحوظة هو الإلكترونات ، التي تعمل إما كـ "عوامل حرة" أو كعوامل لتشكيل ما يسمى بالثقوب.لذلك ، يتم أيضًا تصنيف الظواهر الجلفانية المغناطيسية اعتمادًا على نوع الناقل المتضمن فيها - الإلكترونات أو الثقوب الحرة.

تتمثل إحدى مظاهر الطاقة الحرارية في الحركة المستمرة لجزء من إلكترونات أي مادة صلبة على طول مسارات موجهة عشوائيًا وبسرعات عشوائية. إذا كانت هذه الحركات لها خصائص عشوائية تمامًا ، فإن مجموع جميع الحركات الفردية للإلكترونات هو صفر ، ومن المستحيل اكتشاف أي عواقب لانحرافات الجسيمات الفردية تحت تأثير قوى لورنتز.

إذا كان هناك تيار كهربائي ، فإنه يحمله عدد معين من الجسيمات المشحونة أو الناقلات التي تتحرك في نفس الاتجاه أو في نفس الاتجاه.

في المواد الصلبة ، ينشأ التيار الكهربائي نتيجة تراكب بعض الحركة العامة أحادية الاتجاه على الحركة العشوائية الأصلية للإلكترونات. في هذه الحالة ، يكون نشاط الإلكترون جزئيًا استجابة عشوائية لتأثير الطاقة الحرارية وجزئيًا استجابة أحادية الاتجاه للتأثير الذي يولد تيارًا كهربائيًا.

شعاع من الإلكترونات يتحرك في مدار دائري في مجال مغناطيسي ثابت. يتم إنشاء الضوء الأرجواني الذي يوضح مسار الإلكترون في هذا الأنبوب عن طريق اصطدام الإلكترونات بجزيئات الغاز.

على الرغم من أن أي حركة للإلكترونات تستجيب لعمل قوى لورنتز ، إلا أن تلك الحركات التي تساهم في نقل التيار تنعكس في الظواهر الجلفانية المغناطيسية.

لذا ، فإن الظواهر الجلفانية المغناطيسية هي إحدى نتائج وضع جسم صلب في مجال مغناطيسي وإضافة حركة أحادية الاتجاه لحركة إلكتروناته ، والتي كانت في الظروف الأولية عشوائية بطبيعتها.إحدى نتائج هذه المجموعة من الظروف هي: ظهور التدرجات السكانية للجسيمات الحاملة في اتجاه عمودي على حركتها أحادية الاتجاه.

تميل قوى لورنتز إلى تحريك جميع الموجات الحاملة إلى جانب واحد من السلك. نظرًا لأن الحاملات عبارة عن جسيمات مشحونة ، فإن مثل هذه التدرجات من سكانها تخلق أيضًا تدرجات للجهد الكهربائي توازن قوى لورنتز ويمكن أن تثير نفسها تيارًا كهربائيًا.

في وجود مثل هذا التيار ، يتم إنشاء توازن ثلاثي المكونات بين قوى لورنتز ، والجهود الجلفانية المغناطيسية والجهود المقاومة.

الحركة العشوائية للإلكترونات مدعومة بالطاقة الحرارية التي تحددها درجة حرارة المادة. يجب أن تأتي الطاقة اللازمة للحفاظ على تحرك الجسيمات في اتجاه واحد من مصدر آخر. لا يمكن تشكيل هذا الأخير داخل المادة نفسها ، إذا كانت في حالة توازن ، يجب أن تأتي الطاقة من البيئة.

وبالتالي ، يرتبط التحويل الجلفانومغناطيسي بالظواهر الكهربائية التي تنتج عن ظهور التدرجات السكانية الحاملة ؛ يتم إنشاء هذه التدرجات في المواد الصلبة عندما يتم وضعها في مجال مغناطيسي وتخضع لتأثيرات مختلفة من البيئة الخارجية ، مما يتسبب في حركة عامة أحادية الاتجاه للحوامل التي تكون حركتها في الظروف الأولية عشوائية.

تصنيف التأثيرات الجلفانية المغناطيسية

ستة تأثيرات جلفانومغناطيسية رئيسية معروفة:

1.تأثيرات القاعة - ظهور تدرجات الجهد الكهربائي نتيجة انحراف الحاملات أثناء حركتها تحت تأثير تأثير المجال الكهربائي. في هذه الحالة ، تتحرك الثقوب والإلكترونات بشكل متزامن أو فردي في اتجاهين متعاكسين وبالتالي تنحرف في نفس الاتجاه.

ينظر - تطبيقات مستشعر القاعة

2. آثار نيرست - ظهور تدرجات الجهد الكهربائي نتيجة لانحراف الحاملات أثناء حركتها تحت تأثير مجال حراري قسري ، بينما تتحرك الثقوب والإلكترونات في نفس الوقت أو بشكل منفصل في نفس الاتجاه وبالتالي تنحرف في اتجاهين متعاكسين.

3. التأثيرات الكهروضوئية والميكانيكية الكهرومغناطيسية - ظهور تدرجات الجهد الكهربائي نتيجة لانحراف الحاملات أثناء حركتها تحت تأثير المجال الكيميائي الإجباري (تدرجات تجمعات الجسيمات). في هذه الحالة ، تتحرك الثقوب والإلكترونات المتكونة في أزواج معًا في نفس الاتجاه وبالتالي تنحرف في اتجاهين متعاكسين.

4. آثار Ettingshausen و Riga - Leduc - ظهور التدرجات الحرارية نتيجة لانحراف الناقل ، عندما تنحرف الحاملات الساخنة بدرجة أكبر من الحاملات الباردة. إذا حدثت التدرجات الحرارية فيما يتعلق بتأثيرات Hall ، فإن هذه الظاهرة تسمى تأثير Ettingshausen ، إذا حدثت فيما يتعلق بتأثير Nernst ، فإن هذه الظاهرة تسمى تأثير Rigi-Leduc.

5. زيادة المقاومة الكهربائية نتيجة انحراف الحاملات أثناء حركتها تحت تأثير المجال الكهربائي الدافع. هنا ، في نفس الوقت ، هناك انخفاض في مساحة المقطع العرضي الفعالة للموصل بسبب تحول الناقلات إلى جانب واحد منه وانخفاض في المسافة التي تقطعها الناقلات في اتجاه الحالي بسبب امتداد مسارهم بسبب التحرك على طول مسار منحني بدلاً من مسار مستقيم.

6. زيادة المقاومة الحرارية نتيجة تغير الظروف المشابهة لما سبق.

مستشعر تأثير هول

تحدث التأثيرات المشتركة الرئيسية في حالتين:

• عندما يتم تهيئة الظروف لتدفق التيار الكهربائي تحت تأثير التدرجات المحتملة الناتجة عن الظواهر المذكورة أعلاه ؛
• عندما يتم تهيئة الظروف لتكوين تدفق حراري تحت تأثير التدرجات الحرارية الناتجة عن الظواهر المذكورة أعلاه.

بالإضافة إلى ذلك ، تُعرف التأثيرات المركبة ، حيث يتم دمج أحد التأثيرات الجلفانومغناطيسية مع واحد أو أكثر من التأثيرات غير الجلفانية المغناطيسية.

1. التأثيرات الحرارية:

• تغيرات تنقل الناقل بسبب التغيرات في درجات الحرارة ؛
• تتغير حركات الإلكترون والثقوب بدرجات متفاوتة حسب درجة الحرارة ؛
• التغيرات السكانية الحاملة بسبب التغيرات في درجات الحرارة ؛
• تتغير مجموعات الإلكترون والثقوب بدرجات متفاوتة بسبب التغيرات في درجة الحرارة.

2. آثار تباين الخواص. الخصائص متباينة الخواص للمواد البلورية تغير نتائج الظاهرة التي يمكن ملاحظتها بخصائص الخواص.

3. التأثيرات الكهروحرارية:

• تولد التدرجات الحرارية الناتجة عن فصل الوسائط الدافئة والباردة تأثيرات كهروحرارية ؛
• تتعزز التأثيرات الكهروحرارية نتيجة لانحياز الناقل ، تتغير الإمكانات الكيميائية لكل وحدة حجم للمادة بسبب التغيير في مجموعة الناقل (تأثيرات نيرست).

4. التأثيرات المغناطيسية الحديدية. تعتمد حركة الناقل في المواد المغناطيسية على القوة المطلقة واتجاه المجال المغناطيسي (كما هو الحال في التأثير الغاوسي).

5. تأثير الأبعاد. إذا كان للجسم أبعادًا كبيرة مقارنة بمسارات الإلكترون ، فإن خصائص المادة في جميع أنحاء حجم الجسم لها تأثير سائد على نشاط الإلكترون. إذا كانت أبعاد الجسم صغيرة مقارنة بمسارات الإلكترون ، فقد تسود تأثيرات السطح.

6. تأثير المجالات القوية. تعتمد الظواهر الجلفانية المغناطيسية على المدة التي تسافر بها الناقلات على طول مسار السيكلوترون. في المجالات المغناطيسية القوية ، يمكن للحوامل أن تقطع مسافة كبيرة على طول هذا المسير. يبلغ العدد الإجمالي للتأثيرات الجلفانومغناطيسية المختلفة الممكنة أكثر من مائتي ، ولكن في الواقع يمكن الحصول على كل منها من خلال الجمع بين الظواهر المذكورة أعلاه.

أنظر أيضا: الكهرباء والمغناطيسية ، التعريفات الأساسية ، أنواع الجسيمات المشحونة المتحركة