Força de Lawrence e efeitos galvanomagnéticos

Forças aplicadas a partículas carregadas em movimento

Se uma partícula carregada eletricamente se move em um campo magnético circundante, o campo magnético interno dessa partícula em movimento e o campo circundante interagem, gerando uma força aplicada à partícula. Essa força tende a mudar a direção do movimento da partícula. Uma única partícula em movimento com carga elétrica causa o aparecimento Campo magnético Bio-Savara.

Embora o campo Bio-Savart, estritamente falando, seja gerado apenas por um fio infinitamente longo no qual muitas partículas carregadas se movem, a seção transversal do campo magnético em torno da trajetória de uma partícula individual que passa por essa partícula tem a mesma configuração circular.

No entanto, o campo Bio-Savart é constante tanto no espaço quanto no tempo, e o campo de uma partícula individual medido em um determinado ponto no espaço muda conforme a partícula se move.

A lei de Lorentz define a força que age sobre uma partícula eletricamente carregada em movimento em um campo magnético:

F=kQB (dx/dt),

onde B — a carga elétrica da partícula; B é a indução do campo magnético externo no qual a partícula se move; dx/dt — velocidade das partículas; F — a força resultante na partícula; k — constante de proporcionalidade.

O campo magnético que envolve a trajetória do elétron é direcionado no sentido horário quando visto da região em que o elétron está se aproximando. Nas condições de movimento do elétron, seu campo magnético é direcionado contra o campo externo, enfraquecendo-o na parte inferior da região mostrada, e coincide com o campo externo, fortalecendo-o na parte superior.

Ambos os fatores resultam em uma força descendente aplicada ao elétron. Ao longo de uma linha reta que coincide com a direção do campo externo, o campo magnético do elétron é direcionado perpendicularmente ao campo externo. Com uma direção mutuamente perpendicular dos campos, sua interação não gera nenhuma força.

Resumidamente, se uma partícula carregada negativamente se move da esquerda para a direita em um plano e o campo magnético externo é direcionado pelo observador na profundidade do esquema, então a força de Lorentz aplicada à partícula é direcionada de cima para baixo.

Forças que atuam sobre uma partícula carregada negativamente cuja trajetória é perpendicular ao vetor de força do campo magnético externo

poderes de Lawrence

Um fio que se move no espaço atravessa as linhas de força do campo magnético existente nesse espaço, pelo que um determinado campo coercivo mecânico atua sobre os eletrões no interior do fio.

O movimento dos elétrons através de um campo magnético ocorre junto com o fio.Este movimento pode ser restringido pela ação de quaisquer forças que impeçam o movimento do condutor; no entanto, na direção do percurso do fio, os elétrons não são afetados pela resistência elétrica.

Entre as duas pontas desse fio, é gerada uma tensão de Lorentz, que é proporcional à velocidade do movimento e à indução magnética. As forças de Lorentz movem os elétrons ao longo do fio em uma direção, resultando no acúmulo de mais elétrons em uma extremidade do fio do que na outra.

A voltagem gerada por essa separação de cargas tende a trazer os elétrons de volta a uma distribuição uniforme e eventualmente o equilíbrio é estabelecido mantendo uma certa voltagem proporcional à velocidade do fio. Se você criar condições em que a corrente possa fluir no fio, será estabelecida uma tensão no circuito oposta à tensão original de Lorentz.

A foto mostra uma configuração experimental para demonstrar a força de Lorentz. Imagem à esquerda: o que parece Direita: efeito de força de Lorentz. Um elétron voa da extremidade direita para a esquerda. A força magnética atravessa a trajetória de vôo e desvia o feixe de elétrons para baixo.

Como uma corrente elétrica é um movimento ordenado de cargas, o efeito de um campo magnético em um condutor condutor de corrente é o resultado de sua ação sobre cargas individuais em movimento.

A principal aplicação da força de Lorentz é em máquinas elétricas (geradores e motores).

A força que atua em um condutor condutor de corrente em um campo magnético é igual à soma vetorial das forças de Lorentz que atuam em cada portador de carga. Essa força é chamada de força de Ampère, ou seja,A força de Ampère é igual à soma de todas as forças de Lorentz que atuam em um condutor de corrente. Olhar: Lei de Ampère

efeitos galvanomagnéticos

Várias consequências da ação das forças de Lorentz, causando um desvio da trajetória de partículas carregadas negativamente - os elétrons, enquanto se movem através de sólidos, são chamados de efeitos galvanomagnéticos.

Quando uma corrente elétrica flui em um fio sólido colocado em um campo magnético, os elétrons que transportam essa corrente são desviados em uma direção perpendicular tanto à direção da corrente quanto à direção do campo magnético. Quanto mais rápido os elétrons se movem, mais eles são desviados.

Como resultado da deflexão dos elétrons, gradientes de potencial elétrico são estabelecidos em direções perpendiculares à direção da corrente. Devido ao fato de que os elétrons em movimento mais rápido são desviados mais do que os mais lentos, surgem gradientes térmicos, também perpendiculares à direção da corrente.

Assim, os efeitos galvanomagnéticos incluem fenômenos elétricos e térmicos.

Dado que os elétrons podem se mover sob a influência de campos elétricos, térmicos e químicos, os efeitos galvanomagnéticos são classificados tanto pelo tipo de campo forçante quanto pela natureza dos fenômenos resultantes - térmicos ou elétricos.

O termo "galvanomagnético" refere-se apenas a certos fenômenos observados em sólidos, onde o único tipo de partícula capaz de se mover em qualquer quantidade apreciável são os elétrons, funcionando como "agentes livres" ou como agentes para a formação dos chamados buracos.Portanto, os fenômenos galvanomagnéticos também são classificados dependendo do tipo de portador envolvido neles — elétrons livres ou lacunas.

Uma das manifestações da energia térmica é o movimento contínuo de uma parte dos elétrons de qualquer substância sólida ao longo de trajetórias direcionadas aleatoriamente e em velocidades aleatórias. Se esses movimentos tiverem características completamente aleatórias, a soma de todos os movimentos individuais dos elétrons é zero e é impossível detectar quaisquer consequências dos desvios de partículas individuais sob a influência das forças de Lorentz.

Se houver uma corrente elétrica, ela é transportada por um certo número de partículas ou portadores carregados que se movem na mesma ou na mesma direção.

Nos sólidos, a corrente elétrica surge como resultado da superposição de algum movimento unidirecional geral no movimento aleatório original dos elétrons. Nesse caso, a atividade do elétron é em parte uma resposta aleatória ao efeito da energia térmica e em parte uma resposta unidirecional ao efeito que gera uma corrente elétrica.

Um feixe de elétrons movendo-se em uma órbita circular em um campo magnético constante. A luz roxa que mostra o caminho de um elétron neste tubo é criada pela colisão de elétrons com moléculas de gás.

Embora qualquer movimento de elétrons responda à ação das forças de Lorentz, apenas os movimentos que contribuem para a transferência de corrente são refletidos nos fenômenos galvanomagnéticos.

Assim, os fenômenos galvanomagnéticos são uma das consequências de colocar um corpo sólido em um campo magnético e adicionar movimento unidirecional ao movimento de seus elétrons, que nas condições iniciais era de natureza aleatória. Um dos resultados dessa combinação de condições é a aparecimento de gradientes populacionais das partículas transportadoras em uma direção perpendicular ao seu movimento unidirecional.

As forças de Lorentz tendem a mover todos os portadores para um lado do fio. Como os portadores são partículas carregadas, tais gradientes de sua população também criam gradientes de potencial elétrico que equilibram as forças de Lorentz e podem eles próprios excitar uma corrente elétrica.

Na presença de tal corrente, um equilíbrio de três componentes é estabelecido entre as forças de Lorentz, tensões galvanomagnéticas e tensões resistivas.

O movimento aleatório dos elétrons é sustentado pela energia térmica, que é determinada pela temperatura de uma substância. A energia necessária para manter as partículas se movendo em uma direção deve vir de outra fonte. Este último não pode ser formado dentro da própria substância, se ela estiver em estado de equilíbrio, a energia deve vir do meio ambiente.

Assim, a conversão galvanomagnética está relacionada a fenômenos elétricos que são consequência do aparecimento de gradientes de população de portadores; tais gradientes se estabelecem em sólidos quando estes são colocados em um campo magnético e submetidos a diversas influências do meio externo, provocando um movimento geral unidirecional de portadores cujo movimento nas condições iniciais é aleatório.

Classificação dos efeitos galvanomagnéticos

Seis efeitos galvanomagnéticos principais são conhecidos:

1.Efeitos Hall — o aparecimento de gradientes do potencial elétrico como resultado do desvio dos portadores durante seu movimento sob a influência do campo elétrico forçante. Nesse caso, buracos e elétrons simultaneamente ou individualmente se movem em direções opostas e, portanto, se desviam na mesma direção.

Olhar - Aplicações do sensor Hall

2. Efeitos nervosos — o aparecimento de gradientes de potencial elétrico como resultado da deflexão dos portadores durante seu movimento sob a influência de um campo térmico forçado, enquanto os buracos e elétrons simultaneamente ou separadamente se movem na mesma direção e, portanto, se desviam em direções opostas.

3. Efeitos fotoeletromagnéticos e mecanoeletromagnéticos — o aparecimento de gradientes do potencial elétrico como resultado do desvio dos portadores durante seu movimento sob a influência do campo químico forçante (gradientes da população de partículas). Nesse caso, as lacunas e os elétrons formados aos pares se movem juntos na mesma direção e, portanto, se desviam em direções opostas.

4. Os efeitos de Ettingshausen e Riga — Leduc — o aparecimento de gradientes térmicos como resultado da deflexão dos portadores, quando os portadores quentes são desviados em maior extensão do que os frios. Se os gradientes térmicos ocorrem em conexão com os efeitos Hall, esse fenômeno é chamado de efeito Ettingshausen; se ocorrerem em conexão com o efeito Nernst, o fenômeno é chamado de efeito Rigi-Leduc.

5. Aumento da resistência elétrica como resultado da deflexão dos portadores durante seu movimento sob a influência de um campo elétrico motriz. Aqui, ao mesmo tempo, há uma diminuição na área da seção transversal efetiva do condutor devido ao deslocamento dos portadores para um lado dele e uma diminuição na distância percorrida pelos portadores na direção do corrente devido à extensão de seu caminho devido ao movimento ao longo de um caminho curvo em vez de um caminho reto.

6. Aumento da resistência térmica como resultado de mudanças nas condições semelhantes às anteriores.

Sensor de efeito Hall

Os principais efeitos combinados ocorrem em dois casos:

• quando são criadas condições para o fluxo de corrente elétrica sob a influência de gradientes de potencial resultantes dos fenômenos acima;
• quando são criadas condições para a formação de um fluxo de calor sob a influência de gradientes térmicos resultantes dos fenômenos acima.

Além disso, são conhecidos efeitos combinados, nos quais um dos efeitos galvanomagnéticos é combinado com um ou mais efeitos não galvanomagnéticos.

1. Efeitos térmicos:

• mudanças na mobilidade do portador devido a mudanças de temperatura;
• as mobilidades de elétrons e buracos mudam em vários graus dependendo da temperatura;
• mudanças na população de portadores devido a mudanças de temperatura;
• as populações de elétrons e buracos mudam em vários graus devido a mudanças na temperatura.

2. Efeitos da anisotropia. As características anisotrópicas de substâncias cristalinas alteram os resultados do fenômeno que seriam observados com características isotrópicas.

3. Efeitos termoelétricos:

• gradientes térmicos devido à separação de meios quentes e frios geram efeitos termoelétricos;
• os efeitos termoelétricos são aumentados como resultado da polarização do portador, o potencial químico por unidade de volume da substância muda devido a uma mudança na população de portadores (efeitos de Nerst).

4. Efeitos ferromagnéticos. A mobilidade do portador em substâncias ferromagnéticas depende da força absoluta e da direção do campo magnético (como no efeito gaussiano).

5. Influência das dimensões. Se o corpo tiver grandes dimensões em comparação com as trajetórias do elétron, então as propriedades da substância em todo o volume do corpo têm um efeito predominante na atividade do elétron. Se as dimensões do corpo forem pequenas em comparação com as trajetórias dos elétrons, então os efeitos de superfície podem predominar.

6. A influência de campos fortes. Fenômenos galvanomagnéticos dependem de quanto tempo os portadores viajam ao longo de sua trajetória de ciclotron. Em campos magnéticos fortes, os portadores podem percorrer uma distância considerável ao longo desse caminho. O número total de diferentes efeitos galvanomagnéticos possíveis é superior a duzentos, mas na verdade cada um deles pode ser obtido combinando os fenômenos listados acima.

Veja também: Eletricidade e magnetismo, definições básicas, tipos de partículas carregadas em movimento