ローレンス力と電流磁気効果
移動する荷電粒子にかかる力
帯電粒子が周囲の磁場中を移動すると、その移動する粒子の内部磁場と周囲の磁場が相互作用し、粒子に加えられる力が生成されます。この力は粒子の運動方向を変える傾向があります。電荷を持った単一の移動粒子が出現を引き起こします。 バイオサバラ磁場.
厳密に言えば、ビオサバール磁場は多数の荷電粒子が移動する無限に長いワイヤーによってのみ生成されますが、その粒子を通過する個々の粒子の軌道の周りの磁場の断面は同じ円形の形状になります。
ただし、ビオサバール場は空間と時間の両方で一定であり、空間内の特定の点で測定される個々の粒子の場は、粒子が移動するにつれて変化します。
ローレンツの法則は、磁場中で移動する荷電粒子に作用する力を定義します。:
F=kQB (dx/dt)、
ここで、B - 粒子の電荷。 B は粒子が移動する外部磁場の誘導です。 dx/dt — 粒子の速度。 F — 粒子に加わる力。 k — 比例定数。
電子の軌道を囲む磁場は、電子が接近する領域から見ると時計回りの方向を向いています。電子の運動条件下では、その磁場は外部磁場に向けられており、図示された領域の下部では磁場が弱くなり、外部磁場と一致して上部では磁場が強化されます。
両方の要因により、電子に下向きの力がかかります。外部磁場の方向と一致する直線に沿って、電子の磁場は外部磁場に対して直角に向けられます。このように相互に垂直な磁場の方向では、それらの相互作用によって力は発生しません。
要するに、 負に帯電した粒子が平面内で左から右に移動し、外部磁場が観察者によって計画の深さに向けられる場合、粒子にかかるローレンツ力は上から下に向けられます。
外部磁場の力ベクトルに対して垂直に軌道を向ける負に帯電した粒子に作用する力
ロレンスの力
空間内を移動するワイヤは、この空間に存在する磁場の力線と交差し、その結果、ワイヤ内の電子に特定の機械的抗磁場が作用します。
磁場を通した電子の移動はワイヤとともに発生します。この動きは、指揮者の動きを妨げる何らかの力の作用によって制限される可能性があります。ただし、ワイヤの進行方向では、電子は電気抵抗の影響を受けません。
このようなワイヤの両端の間には、移動速度と磁気誘導に比例するローレンツ電圧が発生します。ローレンツ力は電子をワイヤに沿って一方向に移動させ、その結果、ワイヤの一端に他端よりも多くの電子が蓄積されます。
この電荷の分離によって生成される電圧は電子を均一な分布に戻す傾向があり、最終的にはワイヤの速度に比例した一定の電圧を維持しながら平衡が確立されます。ワイヤに電流が流れる条件を作り出すと、回路内に元のローレンツ電圧とは逆の電圧が確立されます。
写真は、ローレンツ力を実証するための実験装置を示しています。左の画像: どのように見えるか 右: ローレンツ力の効果。電子は右端から左へ飛行しますが、磁力が飛行経路を横切って電子ビームを下方向に偏向させます。
電流は電荷の規則正しい動きであるため、電流が流れる導体に対する磁場の影響は、個々の移動する電荷に対する磁場の作用の結果です。
ローレンツ力の主な用途は電気機械 (発電機とモーター) です。
磁場中で電流が流れる導体に作用する力は、各電荷担体に作用するローレンツ力のベクトル和に等しくなります。この力はアンペール力と呼ばれます。アンペア力は、電流が流れる導体に作用するすべてのローレンツ力の合計に等しくなります。見て： アンペールの法則
ガルバノ磁気効果
固体中を移動する際に、負に帯電した粒子である電子の軌道の逸脱を引き起こすローレンツ力の作用のさまざまな結果は、電流磁気効果と呼ばれます。
磁場内に置かれた固体ワイヤに電流が流れると、その電流を運ぶ電子は電流の方向と磁場の方向の両方に垂直な方向に偏向されます。電子が速く移動するほど、より多く偏向されます。
電子の偏向の結果、電流の方向に対して垂直な方向に電位勾配が確立されます。より速く移動する電子はより低速で移動する電子よりも偏向されるという事実により、同様に電流の方向に垂直な温度勾配が発生します。
したがって、ガルバノ磁気効果には電気現象と熱現象が含まれます。
電子が強制的な電場、熱場、および化学場の影響下で移動できることを考えると、電流磁気効果は、強制場の種類と、結果として生じる現象 (熱または電気) の性質の両方によって分類されます。
「ガルバノ磁気」という用語は、固体で観察される特定の現象のみを指します。固体では、かなりの量を移動できる唯一の種類の粒子は電子であり、「フリーエージェント」またはいわゆる正孔の形成エージェントとして機能します。したがって、ガルバノ磁気現象も、それに関与するキャリアの種類 (自由電子または正孔) に応じて分類されます。
熱エネルギーの発現の 1 つは、固体物質の電子の一部がランダムな方向の軌道に沿ってランダムな速度で連続的に移動することです。これらの運動が完全にランダムな特性を持っている場合、電子の個々の運動の合計はゼロになり、ローレンツ力の影響下での個々の粒子の偏差の結果を検出することは不可能になります。
電流がある場合、その電流は、同じまたは同じ方向に移動する一定数の荷電粒子またはキャリアによって運ばれます。
固体では、電子の元のランダムな動きに一般的な一方向の動きが重なった結果として電流が発生します。この場合、電子活動は、部分的には熱エネルギーの影響に対するランダムな応答であり、部分的には電流を生成する効果に対する一方向の応答です。
一定の磁場内で円軌道を運動する電子ビーム。この管内の電子の経路を示す紫色の光は、電子とガス分子の衝突によって生成されます。
電子の動きはすべてローレンツ力の作用に反応しますが、電流の伝達に寄与する動きだけが電流磁気現象に反映されます。
つまり、ガルバノ磁気現象は、固体を磁場の中に置き、その電子の動きに一方向の動きを加えた結果の 1 つであり、初期条件では本質的にランダムでした。この条件の組み合わせの結果の 1 つは次のとおりです。キャリア粒子の一方向運動に垂直な方向におけるキャリア粒子の集団勾配の出現。
ローレンツ力は、すべてのキャリアをワイヤーの片側に移動させる傾向があります。キャリアは荷電粒子であるため、その集団のそのような勾配は、ローレンツ力のバランスをとる電位の勾配も生成し、それ自体で電流を励起することができます。
このような電流が存在すると、ローレンツ力、電流磁気電圧、抵抗電圧の間に 3 つの成分の平衡が確立されます。
電子のランダムな動きは、物質の温度によって決まる熱エネルギーによって支えられています。粒子を一方向に動かし続けるために必要なエネルギーは、別の源から得られる必要があります。この後者は物質自体の内部で形成することはできず、物質が平衡状態にある場合、エネルギーは環境から得られる必要があります。
したがって、ガルバノ磁気変換は、キャリア分布勾配の出現の結果である電気現象に関連しています。このような勾配は、固体が磁場に置かれ、外部環境からのさまざまな影響を受けると固体内に確立され、初期状態での動きがランダムであるキャリアの一般的な一方向の動きを引き起こします。
電流磁気効果の分類
6 つの主な電流磁気効果が知られています。
1.ホール効果 — 強制電場の影響下での移動中のキャリアの偏りの結果として生じる電位の勾配の出現。この場合、正孔と電子は同時にまたは個別に反対方向に移動するため、同じ方向に偏ります。
見て - ホールセンサーのアプリケーション
2. ネルスト効果 — 強制熱場の影響下での移動中のキャリアの偏向の結果として生じる電位勾配の出現であり、一方、正孔と電子は同時にまたは別々に同じ方向に移動するため、反対方向に偏ります。
3. 光電磁効果と機械電磁効果 — 強制化学場の影響下での移動中のキャリアの偏差の結果として生じる電位の勾配の出現（粒子集団の勾配）。この場合、ペアで形成された正孔と電子は同じ方向に移動するため、逆方向に偏ることになります。
4. エッティングスハウゼンとリガの影響 — Leduc — ホットキャリアがコールドキャリアよりも大きく偏向される場合、キャリアの偏向の結果として生じる温度勾配の出現。熱勾配がホール効果に関連して発生する場合、この現象はエッティングスハウゼン効果と呼ばれ、ネルンスト効果に関連して発生する場合、この現象はリギ・レデュク効果と呼ばれます。
5. 駆動電界の影響下での移動中のキャリアの偏向の結果として生じる電気抵抗の増加。 ここでは同時に、キャリアが導体の片側に移動し、キャリアが導体の方向に移動する距離が減少するため、導体の有効断面積が減少します。直線ではなく曲線の経路に沿って移動することによる経路の延長による電流。
6. 上記と同様の条件変化による熱抵抗の増加。
ホール効果センサー
主な複合効果は次の 2 つの場合に発生します。
- 上記の現象から生じる電位勾配の影響下で電流が流れる条件が作成されるとき。
- 上記の現象から生じる熱勾配の影響下で熱流の形成のための条件が作成されるとき。
さらに、ガルバノ磁気効果の１つが１つまたは複数の非ガルバノ磁気効果と組み合わされる複合効果も知られている。
1. 熱の影響:
- キャリア移動度は温度変化により変化します。
- 電子と正孔の移動度は温度に応じてさまざまな程度に変化します。
- 温度変化によりキャリア数が変化します。
- 電子と正孔の数は、温度の変化によりさまざまな程度に変化します。
2. 異方性の影響。 結晶物質の異方性特性は、等方性特性で観察される現象の結果を変えます。
3. 熱電効果:
- 温かい媒体と冷たい媒体の分離による温度勾配により、熱電効果が発生します。
- 熱電効果はキャリアバイアスの結果として強化され、キャリア集団の変化により物質の単位体積あたりの化学ポテンシャルが変化します（ネルスト効果）。
4. 強磁性効果。 強磁性体のキャリア移動度は、（ガウス効果のように）磁場の絶対的な強さと方向に依存します。
5. 寸法の影響。 物体の寸法が電子の軌道に比べて大きい場合、物体の体積全体にわたる物質の特性が電子活動に主な影響を及ぼします。物体の寸法が電子の軌道に比べて小さい場合、表面効果が優勢になる可能性があります。
6. 強いフィールドの影響。 ガルバノ磁気現象は、キャリアがサイクロトロン軌道に沿って移動する長さに依存します。強い磁場では、キャリアはこの経路に沿ってかなりの距離を移動する可能性があります。考えられるさまざまな電流磁気効果の総数は 200 以上ありますが、実際には、それぞれの効果は上に挙げた現象を組み合わせることによって得ることができます。
以下も参照してください。 電気と磁気、基本的な定義、移動する荷電粒子の種類