Force de Lawrence et effets galvanomagnétiques

Forces appliquées aux particules chargées en mouvement

Si une particule chargée électriquement se déplace dans un champ magnétique environnant, alors le champ magnétique interne de cette particule en mouvement et le champ environnant interagissent, générant une force appliquée à la particule. Cette force tend à changer la direction du mouvement de la particule. Une seule particule en mouvement avec une charge électrique provoque l'apparition Champ magnétique Bio-Savara.

Bien que le champ Bio-Savart, à proprement parler, ne soit généré que par un fil infiniment long dans lequel se déplacent de nombreuses particules chargées, la section efficace du champ magnétique autour de la trajectoire d'une particule individuelle traversant cette particule a la même configuration circulaire.

Cependant, le champ Bio-Savart est constant à la fois dans l'espace et dans le temps, et le champ d'une particule individuelle mesuré à un point donné de l'espace change au fur et à mesure que la particule se déplace.

La loi de Lorentz définit la force agissant sur une particule chargée électriquement en mouvement dans un champ magnétique:

F=kQB (dx/dt),

où B — la charge électrique de la particule ; B est l'induction du champ magnétique externe dans lequel se déplace la particule ; dx/dt — vitesse des particules ; F — la force résultante sur la particule ; k — constante de proportionnalité.

Le champ magnétique entourant la trajectoire de l'électron est dirigé dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu de la région dont l'électron s'approche. Dans les conditions du mouvement de l'électron, son champ magnétique est dirigé contre le champ externe, l'affaiblissant dans la partie inférieure de la région représentée, et coïncide avec le champ externe, le renforçant dans la partie supérieure.

Les deux facteurs entraînent une force vers le bas appliquée à l'électron. Le long d'une ligne droite coïncidant avec la direction du champ extérieur, le champ magnétique de l'électron est dirigé perpendiculairement au champ extérieur. Avec une telle direction mutuellement perpendiculaire des champs, leur interaction ne génère aucune force.

Bref, si une particule chargée négativement se déplace de gauche à droite dans un plan et que le champ magnétique externe est dirigé par l'observateur à la profondeur du schéma, alors la force de Lorentz appliquée à la particule est dirigée de haut en bas.

Forces agissant sur une particule chargée négativement dont la trajectoire est dirigée perpendiculairement au vecteur force du champ magnétique externe

Les pouvoirs de Lawrence

Un fil se déplaçant dans l'espace croise les lignes de force du champ magnétique existant dans cet espace, à la suite de quoi un certain champ coercitif mécanique agit sur les électrons à l'intérieur du fil.

Le mouvement des électrons à travers un champ magnétique se produit avec le fil.Ce mouvement peut être limité par l'action de toutes forces qui entravent le mouvement du conducteur ; cependant, dans le sens de déplacement du fil, les électrons ne sont pas affectés par la résistance électrique.

Entre les deux extrémités d'un tel fil, une tension de Lorentz est générée, qui est proportionnelle à la vitesse de déplacement et à l'induction magnétique. Les forces de Lorentz déplacent les électrons le long du fil dans une direction, ce qui entraîne l'accumulation de plus d'électrons à une extrémité du fil qu'à l'autre.

La tension générée par cette séparation des charges tend à ramener les électrons dans une répartition uniforme et finalement l'équilibre s'établit tout en maintenant une certaine tension proportionnelle à la vitesse du fil. Si vous créez des conditions dans lesquelles le courant peut circuler dans le fil, une tension sera établie dans le circuit qui est opposée à la tension de Lorentz d'origine.

La photo montre une configuration expérimentale pour démontrer la force de Lorentz. Image de gauche : à quoi ça ressemble Droite : effet de force de Lorentz. Un électron vole de l'extrémité droite vers la gauche. La force magnétique traverse la trajectoire de vol et dévie le faisceau d'électrons vers le bas.

Puisqu'un courant électrique est un mouvement ordonné de charges, l'effet d'un champ magnétique sur un conducteur porteur de courant est le résultat de son action sur des charges mobiles individuelles.

La principale application de la force de Lorentz concerne les machines électriques (générateurs et moteurs).

La force agissant sur un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique est égale à la somme vectorielle des forces de Lorentz agissant sur chaque porteur de charge. Cette force est appelée force d'Ampère, c'est-à-direLa force d'ampère est égale à la somme de toutes les forces de Lorentz agissant sur un conducteur sous tension. Regarder: Loi d'Ampère

Effets galvanomagnétiques

Diverses conséquences de l'action des forces de Lorentz, provoquant une déviation de la trajectoire des particules chargées négativement - les électrons, tout en se déplaçant à travers les solides, sont appelées effets galvanomagnétiques.

Lorsqu'un courant électrique circule dans un fil solide placé dans un champ magnétique, les électrons transportant ce courant sont déviés dans une direction perpendiculaire à la fois à la direction du courant et à la direction du champ magnétique. Plus les électrons se déplacent rapidement, plus ils sont déviés.

Du fait de la déviation des électrons, des gradients de potentiel électrique s'établissent dans des directions perpendiculaires à la direction du courant. Du fait que les électrons se déplaçant plus rapidement sont déviés plus que ceux qui se déplacent plus lentement, des gradients thermiques apparaissent, également perpendiculaires à la direction du courant.

Ainsi, les effets galvanomagnétiques incluent des phénomènes électriques et thermiques.

Étant donné que les électrons peuvent se déplacer sous l'influence de champs électriques, thermiques et chimiques de forçage, les effets galvanomagnétiques sont classés à la fois par le type de champ de forçage et par la nature des phénomènes résultants - thermiques ou électriques.

Le terme "galvanomagnétique" se réfère uniquement à certains phénomènes observés dans les solides, où les seuls types de particules capables de se déplacer en quantité appréciable sont les électrons, fonctionnant soit comme "agents libres", soit comme agents de formation de soi-disant trous.Par conséquent, les phénomènes galvanomagnétiques sont également classés en fonction du type de porteur impliqué dans ceux-ci - électrons libres ou trous.

L'une des manifestations de l'énergie thermique est le mouvement continu d'une partie des électrons de toute substance solide le long de trajectoires dirigées au hasard et à des vitesses aléatoires. Si ces mouvements ont des caractéristiques complètement aléatoires, alors la somme de tous les mouvements individuels des électrons est nulle et il est impossible de détecter les conséquences des déviations des particules individuelles sous l'influence des forces de Lorentz.

S'il existe un courant électrique, il est porté par un certain nombre de particules chargées ou de porteurs se déplaçant dans le même ou dans le même sens.

Dans les solides, le courant électrique résulte de la superposition d'un mouvement unidirectionnel général sur le mouvement aléatoire d'origine des électrons. Dans ce cas, l'activité électronique est en partie une réponse aléatoire à l'effet de l'énergie thermique et en partie une réponse unidirectionnelle à l'effet qui génère un courant électrique.

Un faisceau d'électrons se déplaçant sur une orbite circulaire dans un champ magnétique constant. La lumière violette montrant le chemin d'un électron dans ce tube est créée par la collision d'électrons avec des molécules de gaz.

Bien que tout mouvement d'électrons réponde à l'action des forces de Lorentz, seuls les mouvements qui contribuent au transfert de courant se reflètent dans les phénomènes galvanomagnétiques.

Ainsi, les phénomènes galvanomagnétiques sont l'une des conséquences de la mise d'un corps solide dans un champ magnétique et de l'ajout d'un mouvement unidirectionnel au mouvement de ses électrons, qui dans les conditions initiales était de nature aléatoire.L'un des résultats de cette combinaison de conditions est le apparition de gradients de population des particules porteuses dans une direction perpendiculaire à leur mouvement unidirectionnel.

Les forces de Lorentz ont tendance à déplacer tous les porteurs d'un côté du câble. Puisque les porteurs sont des particules chargées, de tels gradients de leur population créent également des gradients de potentiel électrique qui équilibrent les forces de Lorentz et peuvent eux-mêmes exciter un courant électrique.

En présence d'un tel courant, un équilibre à trois composantes s'établit entre les forces de Lorentz, les tensions galvanomagnétiques et les tensions résistives.

Le mouvement aléatoire des électrons est soutenu par l'énergie thermique, qui est déterminée par la température d'une substance. L'énergie nécessaire pour maintenir les particules en mouvement dans une direction doit provenir d'une autre source. Ce dernier ne peut pas se former à l'intérieur de la substance elle-même, si elle est dans un état d'équilibre, l'énergie doit provenir de l'environnement.

Ainsi, la conversion galvanomagnétique est liée à des phénomènes électriques qui sont une conséquence de l'apparition de gradients de population de porteurs ; de tels gradients s'établissent dans les solides lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique et soumis à diverses influences du milieu extérieur, provoquant un mouvement général unidirectionnel de porteurs dont le mouvement dans les conditions initiales est aléatoire.

Classification des effets galvanomagnétiques

Six principaux effets galvanomagnétiques sont connus :

1.Effets Hall — l'apparition de gradients de potentiel électrique dus à la déviation des porteurs lors de leur déplacement sous l'influence du champ électrique de forçage. Dans ce cas, les trous et les électrons se déplacent simultanément ou individuellement dans des directions opposées et s'écartent donc dans la même direction.

Regarder - Applications des capteurs à effet Hall

2. Effets Nest — l'apparition de gradients de potentiel électrique par suite de la déviation des porteurs lors de leur déplacement sous l'effet d'un champ thermique forcé, alors que les trous et les électrons se déplacent simultanément ou séparément dans le même sens et s'écartent donc en sens opposés.

3. Effets photoélectromagnétiques et mécanoélectromagnétiques — l'apparition de gradients du potentiel électrique résultant de la déviation des porteurs lors de leur mouvement sous l'influence du champ chimique de forçage (gradients de la population de particules). Dans ce cas, les trous et les électrons formés par paires se déplacent ensemble dans le même sens et s'écartent donc dans des sens opposés.

4. Les effets d'Ettingshausen et de Riga — Leduc — l'apparition de gradients thermiques dus à la déflexion des porteurs, lorsque les porteurs chauds sont déviés plus que les froids. Si les gradients thermiques se produisent en relation avec les effets Hall, alors ce phénomène s'appelle l'effet Ettingshausen, s'ils se produisent en relation avec l'effet Nernst, alors le phénomène s'appelle l'effet Rigi-Leduc.

5. Augmentation de la résistance électrique à la suite de la déviation des porteurs lors de leur mouvement sous l'influence d'un champ électrique moteur. Ici, en même temps, il y a une diminution de la section efficace du conducteur en raison du déplacement des porteurs d'un côté de celui-ci et une diminution de la distance parcourue par les porteurs dans la direction du courant en raison de l'allongement de leur trajectoire due au déplacement le long d'une trajectoire courbe au lieu d'une trajectoire droite.

6. Augmentation de la résistance thermique à la suite de conditions changeantes similaires à celles ci-dessus.

Capteur à effet Hall

Les principaux effets combinés surviennent dans deux cas :

• lorsque les conditions sont créées pour la circulation du courant électrique sous l'influence des gradients de potentiel résultant des phénomènes ci-dessus;
• lorsque les conditions sont créées pour la formation d'un flux de chaleur sous l'influence de gradients thermiques résultant des phénomènes ci-dessus.

De plus, on connaît des effets combinés, dans lesquels l'un des effets galvanomagnétiques est combiné avec un ou plusieurs effets non galvanomagnétiques.

1. Effets thermiques :

• changements de mobilité des porteurs dus aux changements de température ;
• les mobilités des électrons et des trous changent à des degrés divers en fonction de la température ;
• les changements de population de porteurs dus aux changements de température ;
• les populations d'électrons et de trous changent à des degrés divers en raison des changements de température.

2. Effets de l'anisotropie. Les caractéristiques anisotropes des substances cristallines modifient les résultats du phénomène qui serait observé avec des caractéristiques isotropes.

3. Effets thermoélectriques :

• les gradients thermiques dus à la séparation des milieux chauds et froids génèrent des effets thermoélectriques ;
• les effets thermoélectriques sont renforcés en raison de la polarisation des porteurs, le potentiel chimique par unité de volume de la substance change en raison d'un changement dans la population de porteurs (effets Nerst).

4. Effets ferromagnétiques. La mobilité des porteurs dans les substances ferromagnétiques dépend de la force absolue et de la direction du champ magnétique (comme dans l'effet gaussien).

5. Influence des dimensions. Si le corps a de grandes dimensions par rapport aux trajectoires des électrons, alors les propriétés de la substance dans tout le volume du corps ont un effet prédominant sur l'activité électronique. Si les dimensions du corps sont petites par rapport aux trajectoires des électrons, alors les effets de surface peuvent prédominer.

6. L'influence des champs forts. Les phénomènes galvanomagnétiques dépendent de la durée de parcours des porteurs le long de leur trajectoire cyclotronique. Dans des champs magnétiques intenses, les porteurs peuvent parcourir une distance considérable le long de ce chemin. Le nombre total d'effets galvanomagnétiques différents possibles est supérieur à deux cents, mais en fait chacun d'eux peut être obtenu en combinant les phénomènes énumérés ci-dessus.

Voir également: Électricité et magnétisme, définitions de base, types de particules chargées en mouvement