gaya Lawrence dan efek galvanomagnetik

Gaya diterapkan untuk memindahkan partikel bermuatan

Jika sebuah partikel bermuatan listrik bergerak dalam medan magnet sekitarnya, maka medan magnet internal dari partikel yang bergerak itu dan medan sekitarnya berinteraksi, menghasilkan gaya yang diterapkan pada partikel tersebut. Gaya ini cenderung mengubah arah gerak partikel. Sebuah partikel bergerak tunggal dengan muatan listrik menyebabkan munculnya Medan magnet Bio-Savara.

Meskipun medan Bio-Savart, tegasnya, hanya dihasilkan oleh kawat panjang tak terhingga di mana banyak partikel bermuatan bergerak, penampang medan magnet di sekitar lintasan partikel individu yang melewati partikel tersebut memiliki konfigurasi lingkaran yang sama.

Namun, medan Bio-Savart konstan dalam ruang dan waktu, dan medan partikel individu yang diukur pada titik tertentu dalam ruang berubah saat partikel bergerak.

Hukum Lorentz mendefinisikan gaya yang bekerja pada partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam medan magnet:

F=kQB (dx/dt),

dimana B — muatan listrik partikel; B adalah induksi medan magnet luar tempat partikel bergerak; dx/dt — kecepatan partikel; F — gaya yang dihasilkan pada partikel; k - konstanta proporsionalitas.

Medan magnet yang mengelilingi lintasan elektron searah jarum jam jika dilihat dari daerah yang didekati elektron. Di bawah kondisi gerak elektron, medan magnetnya diarahkan ke medan luar, melemahkannya di bagian bawah wilayah yang ditunjukkan, dan bertepatan dengan medan luar, memperkuatnya di bagian atas.

Kedua faktor menghasilkan gaya ke bawah yang diterapkan pada elektron. Sepanjang garis lurus yang bertepatan dengan arah medan luar, medan magnet elektron diarahkan tegak lurus terhadap medan luar. Dengan arah medan yang saling tegak lurus, interaksinya tidak menghasilkan gaya apa pun.

Pendeknya, jika partikel bermuatan negatif bergerak dari kiri ke kanan dalam sebuah bidang dan medan magnet luar diarahkan oleh pengamat pada kedalaman skema, maka gaya Lorentz yang diterapkan pada partikel diarahkan dari atas ke bawah.

Gaya yang bekerja pada partikel bermuatan negatif yang lintasannya diarahkan tegak lurus terhadap vektor gaya medan magnet luar

Kekuatan Lawrence

Kawat yang bergerak di ruang angkasa melintasi garis gaya medan magnet yang ada di ruang ini, akibatnya medan koersif mekanis tertentu bekerja pada elektron di dalam kawat.

Pergerakan elektron melalui medan magnet terjadi bersama dengan kawat.Pergerakan ini dapat dibatasi oleh aksi dari setiap gaya yang menghambat pergerakan konduktor; namun, dalam arah perjalanan kawat, elektron tidak terpengaruh oleh hambatan listrik.

Di antara kedua ujung kabel semacam itu, dihasilkan tegangan Lorentz, yang sebanding dengan kecepatan gerakan dan induksi magnet. Gaya Lorentz menggerakkan elektron di sepanjang kawat dalam satu arah, menghasilkan lebih banyak elektron yang terakumulasi di satu ujung kawat daripada di ujung lainnya.

Tegangan yang dihasilkan oleh pemisahan muatan ini cenderung membawa elektron kembali ke distribusi yang seragam dan akhirnya kesetimbangan tercapai sambil mempertahankan tegangan tertentu yang sebanding dengan kecepatan kawat. Jika Anda membuat kondisi di mana arus dapat mengalir di kabel, maka tegangan akan dibuat di sirkuit yang berlawanan dengan tegangan Lorentz asli.

Foto menunjukkan pengaturan eksperimental untuk menunjukkan gaya Lorentz. Gambar kiri: tampilannya Kanan: efek gaya Lorentz. Sebuah elektron terbang dari ujung kanan ke kiri Gaya magnet melintasi jalur terbang dan membelokkan berkas elektron ke bawah.

Karena arus listrik adalah pergerakan muatan yang teratur, efek medan magnet pada konduktor pembawa arus adalah hasil dari aksinya pada muatan bergerak individu.

Penerapan utama gaya Lorentz adalah pada mesin listrik (generator dan motor).

Gaya yang bekerja pada konduktor pembawa arus dalam medan magnet sama dengan jumlah vektor gaya Lorentz yang bekerja pada setiap pembawa muatan. Gaya ini disebut gaya Ampere, yaituGaya ampere sama dengan jumlah semua gaya Lorentz yang bekerja pada konduktor pembawa arus. Lihat: Hukum Ampere

Efek galvanomagnetik

Berbagai konsekuensi dari aksi gaya Lorentz, yang menyebabkan penyimpangan lintasan partikel bermuatan negatif - elektron, saat bergerak melalui padatan, disebut efek galvanomagnetik.

Ketika arus listrik mengalir dalam kawat padat yang ditempatkan di medan magnet, elektron yang membawa arus itu dibelokkan ke arah tegak lurus terhadap arah arus dan arah medan magnet. Semakin cepat elektron bergerak, semakin mereka dibelokkan.

Sebagai akibat dari defleksi elektron, gradien potensial listrik terbentuk dalam arah tegak lurus terhadap arah arus. Karena fakta bahwa elektron yang bergerak lebih cepat dibelokkan lebih banyak daripada elektron yang bergerak lebih lambat, gradien termal muncul, juga tegak lurus terhadap arah arus.

Dengan demikian, efek galvanomagnetik meliputi fenomena listrik dan termal.

Mengingat bahwa elektron dapat bergerak di bawah pengaruh gaya medan listrik, termal, dan kimiawi, efek galvanomagnetik diklasifikasikan berdasarkan jenis medan gaya dan sifat dari fenomena yang dihasilkan - termal atau listrik.

Istilah "galvanomagnetik" hanya mengacu pada fenomena tertentu yang diamati pada padatan, di mana satu-satunya jenis partikel yang mampu bergerak dalam jumlah yang cukup adalah elektron, yang berfungsi baik sebagai "agen bebas" atau sebagai agen untuk pembentukan yang disebut lubang.Oleh karena itu, fenomena galvanomagnetik juga diklasifikasikan tergantung pada jenis pembawa yang terlibat di dalamnya — elektron atau lubang bebas.

Salah satu manifestasi energi panas adalah gerakan terus menerus dari bagian elektron dari zat padat apa pun di sepanjang lintasan yang diarahkan secara acak dan dengan kecepatan acak. Jika gerakan ini memiliki karakteristik yang benar-benar acak, maka jumlah dari semua gerakan individu elektron adalah nol, dan konsekuensi dari penyimpangan partikel individu di bawah pengaruh gaya Lorentz tidak dapat dideteksi.

Jika ada arus listrik, itu dibawa oleh sejumlah partikel bermuatan atau pembawa yang bergerak ke arah yang sama atau sama.

Dalam padatan, arus listrik muncul sebagai akibat dari superposisi beberapa gerakan searah umum pada gerakan elektron acak asli. Dalam hal ini, aktivitas elektron sebagian merupakan respons acak terhadap efek energi panas dan sebagian merupakan respons searah terhadap efek yang menghasilkan arus listrik.

Seberkas elektron bergerak dalam orbit melingkar dalam medan magnet konstan. Cahaya ungu yang menunjukkan jalur elektron dalam tabung ini tercipta dari tumbukan elektron dengan molekul gas.

Meskipun setiap gerakan elektron merespons aksi gaya Lorentz, hanya gerakan yang berkontribusi pada transfer arus yang tercermin dalam fenomena galvanomagnetik.

Jadi, fenomena galvanomagnetik adalah salah satu konsekuensi dari menempatkan benda padat dalam medan magnet dan menambahkan gerakan searah ke gerakan elektronnya, yang pada kondisi awal bersifat acak.Salah satu hasil dari kombinasi kondisi ini adalah munculnya gradien populasi partikel pembawa dalam arah tegak lurus terhadap gerakan searah mereka.

Gaya Lorentz cenderung memindahkan semua pembawa ke satu sisi kawat. Karena pembawa adalah partikel bermuatan, gradien populasinya juga menciptakan gradien potensial listrik yang menyeimbangkan gaya Lorentz dan dapat dengan sendirinya membangkitkan arus listrik.

Di hadapan arus seperti itu, keseimbangan tiga komponen terbentuk antara gaya Lorentz, tegangan galvanomagnetik, dan tegangan resistif.

Pergerakan acak elektron didukung oleh energi panas, yang ditentukan oleh suhu suatu zat. Energi yang dibutuhkan untuk menjaga partikel bergerak dalam satu arah harus berasal dari sumber lain. Yang terakhir ini tidak dapat dibentuk di dalam zat itu sendiri, jika dalam keadaan setimbang maka energi harus berasal dari lingkungan.

Jadi, konversi galvanomagnetik berhubungan dengan fenomena kelistrikan yang merupakan konsekuensi dari munculnya gradien populasi pembawa; gradien seperti itu terbentuk dalam padatan ketika ditempatkan di medan magnet dan mengalami berbagai pengaruh dari lingkungan eksternal, menyebabkan gerakan searah umum dari pembawa yang gerakannya pada kondisi awal acak.

Klasifikasi efek galvanomagnetik

Enam efek galvanomagnetik utama diketahui:

1.Efek aula — munculnya gradien potensial listrik sebagai akibat dari penyimpangan pembawa selama pergerakannya di bawah pengaruh medan listrik paksa. Dalam hal ini, lubang dan elektron secara bersamaan atau sendiri-sendiri bergerak ke arah yang berlawanan dan karenanya menyimpang ke arah yang sama.

Lihat - Aplikasi sensor aula

2. Efek Nerst — munculnya gradien potensial listrik sebagai akibat dari defleksi pembawa selama pergerakannya di bawah pengaruh medan termal paksa, sementara lubang dan elektron secara bersamaan atau terpisah bergerak ke arah yang sama dan oleh karena itu menyimpang ke arah yang berlawanan.

3. Efek fotoelektromagnetik dan mekanoelektromagnetik — munculnya gradien potensial listrik sebagai akibat dari penyimpangan pembawa selama pergerakannya di bawah pengaruh medan kimia pemaksa (gradien populasi partikel). Dalam hal ini, lubang dan elektron yang terbentuk berpasangan bergerak bersama ke arah yang sama dan karenanya menyimpang ke arah yang berlawanan.

4. Efek Ettingshausen dan Riga — Leduc - munculnya gradien termal sebagai akibat dari defleksi pembawa, ketika pembawa panas dibelokkan ke tingkat yang lebih besar daripada yang dingin. Jika gradien termal terjadi sehubungan dengan efek Hall, maka fenomena ini disebut efek Ettingshausen, jika terjadi sehubungan dengan efek Nernst, maka fenomena tersebut disebut efek Rigi-Leduc.

5. Peningkatan hambatan listrik akibat defleksi pembawa selama pergerakannya di bawah pengaruh medan listrik penggerak. Di sini, pada saat yang sama, terjadi penurunan luas penampang efektif konduktor karena pergeseran pembawa ke satu sisi dan penurunan jarak yang ditempuh oleh pembawa ke arah konduktor saat ini karena perpanjangan jalur mereka karena bergerak di sepanjang jalur melengkung, bukan jalur lurus.

6. Peningkatan ketahanan termal akibat perubahan kondisi yang serupa dengan di atas.

Sensor efek aula

Efek gabungan utama terjadi dalam dua kasus:

• ketika kondisi tercipta untuk aliran arus listrik di bawah pengaruh gradien potensial yang dihasilkan dari fenomena di atas;
• ketika kondisi diciptakan untuk pembentukan aliran panas di bawah pengaruh gradien termal yang dihasilkan dari fenomena di atas.

Selain itu, efek gabungan diketahui, di mana salah satu efek galvanomagnetik digabungkan dengan satu atau lebih efek non-galvanomagnetik.

1. Efek termal:

• perubahan mobilitas pembawa karena perubahan suhu;
• mobilitas elektron dan lubang berubah ke berbagai derajat tergantung pada suhu;
• perubahan populasi pembawa karena perubahan suhu;
• populasi elektron dan lubang berubah ke berbagai derajat karena perubahan suhu.

2. Efek anisotropi. Karakteristik anisotropik zat kristal mengubah hasil fenomena yang akan diamati dengan karakteristik isotropik.

3. Efek termoelektrik:

• gradien termal karena pemisahan media hangat dan dingin menghasilkan efek termoelektrik;
• efek termoelektrik ditingkatkan sebagai akibat bias pembawa, potensi kimia per satuan volume zat berubah karena perubahan populasi pembawa (efek Nerst).

4. Efek feromagnetik. Mobilitas pembawa dalam zat feromagnetik bergantung pada kekuatan absolut dan arah medan magnet (seperti pada efek Gaussian).

5. Pengaruh dimensi. Jika benda memiliki dimensi yang besar dibandingkan dengan lintasan elektron, maka sifat zat di seluruh volume benda memiliki efek dominan pada aktivitas elektron. Jika dimensi benda kecil dibandingkan dengan lintasan elektron, maka efek permukaan dapat mendominasi.

6. Pengaruh medan yang kuat. Fenomena galvanomagnetik bergantung pada berapa lama pembawa bergerak di sepanjang lintasan siklotronnya. Dalam medan magnet yang kuat, pembawa dapat menempuh jarak yang cukup jauh di sepanjang jalur ini. Jumlah total kemungkinan efek galvanomagnetik yang berbeda lebih dari dua ratus, tetapi sebenarnya masing-masing dapat diperoleh dengan menggabungkan fenomena yang tercantum di atas.

Lihat juga: Listrik dan magnet, definisi dasar, jenis partikel bermuatan bergerak