Fuerza de Lawrence y efectos galvanomagnéticos

Fuerzas aplicadas a partículas cargadas en movimiento

Si una partícula cargada eléctricamente se mueve en un campo magnético circundante, entonces el campo magnético interno de esa partícula en movimiento y el campo circundante interactúan, generando una fuerza aplicada a la partícula. Esta fuerza tiende a cambiar la dirección de movimiento de la partícula. Una sola partícula en movimiento con carga eléctrica provoca la aparición Campo magnético Bio-Savara.

Aunque el campo de Bio-Savart, estrictamente hablando, solo es generado por un cable infinitamente largo en el que se mueven muchas partículas cargadas, la sección transversal del campo magnético alrededor de la trayectoria de una partícula individual que pasa a través de esa partícula tiene la misma configuración circular.

Sin embargo, el campo de Bio-Savart es constante tanto en el espacio como en el tiempo, y el campo de una partícula individual medida en un punto dado del espacio cambia a medida que la partícula se mueve.

La ley de Lorentz define la fuerza que actúa sobre una partícula cargada eléctricamente en movimiento en un campo magnético.:

F=kQB (dx/dt),

donde B — la carga eléctrica de la partícula; B es la inducción del campo magnético externo en el que se mueve la partícula; dx/dt — velocidad de las partículas; F — la fuerza resultante sobre la partícula; k — constante de proporcionalidad.

El campo magnético que rodea la trayectoria del electrón se dirige en el sentido de las agujas del reloj cuando se ve desde la región a la que se acerca el electrón. Bajo las condiciones del movimiento del electrón, su campo magnético se dirige contra el campo externo, debilitándolo en la parte inferior de la región mostrada, y coincide con el campo externo, fortaleciéndolo en la parte superior.

Ambos factores dan como resultado una fuerza hacia abajo aplicada al electrón. A lo largo de una línea recta que coincide con la dirección del campo externo, el campo magnético del electrón está dirigido en ángulo recto con el campo externo. Con tal dirección mutuamente perpendicular de los campos, su interacción no genera ninguna fuerza.

En breve, si una partícula cargada negativamente se mueve de izquierda a derecha en un plano y el campo magnético externo es dirigido por el observador en la profundidad del esquema, entonces la fuerza de Lorentz aplicada a la partícula es dirigida de arriba hacia abajo.

Fuerzas que actúan sobre una partícula cargada negativamente cuya trayectoria se dirige perpendicularmente al vector de fuerza del campo magnético externo

Los poderes de Lawrence

Un alambre que se mueve en el espacio cruza las líneas de fuerza del campo magnético existente en este espacio, como resultado de lo cual un cierto campo coercitivo mecánico actúa sobre los electrones dentro del alambre.

El movimiento de electrones a través de un campo magnético ocurre junto con el cable.Este movimiento puede verse restringido por la acción de cualesquiera fuerzas que impidan el movimiento del conductor; sin embargo, en la dirección de desplazamiento del cable, los electrones no se ven afectados por la resistencia eléctrica.

Entre los dos extremos de dicho cable se genera una tensión de Lorentz, que es proporcional a la velocidad de movimiento ya la inducción magnética. Las fuerzas de Lorentz mueven los electrones a lo largo del cable en una dirección, lo que hace que se acumulen más electrones en un extremo del cable que en el otro.

El voltaje generado por esta separación de cargas tiende a devolver los electrones a una distribución uniforme y finalmente se establece el equilibrio mientras se mantiene un cierto voltaje proporcional a la velocidad del cable. Si crea condiciones en las que la corriente pueda fluir en el cable, entonces se establecerá un voltaje en el circuito que es opuesto al voltaje original de Lorentz.

La foto muestra una configuración experimental para demostrar la fuerza de Lorentz. Imagen izquierda: cómo se ve Derecha: efecto de fuerza de Lorentz. Un electrón vuela desde el extremo derecho hacia el izquierdo. La fuerza magnética cruza la trayectoria de vuelo y desvía el haz de electrones hacia abajo.

Dado que una corriente eléctrica es un movimiento ordenado de cargas, el efecto de un campo magnético sobre un conductor que lleva corriente es el resultado de su acción sobre cargas individuales en movimiento.

La principal aplicación de la fuerza de Lorentz es en máquinas eléctricas (generadores y motores).

La fuerza que actúa sobre un conductor que lleva corriente en un campo magnético es igual a la suma vectorial de las fuerzas de Lorentz que actúan sobre cada portador de carga. Esta fuerza se llama fuerza de Ampere, es decirLa fuerza de amperios es igual a la suma de todas las fuerzas de Lorentz que actúan sobre un conductor que lleva corriente. Mirar: ley de amperio

Efectos galvanomagnéticos

Varias consecuencias de la acción de las fuerzas de Lorentz, que provocan una desviación de la trayectoria de las partículas cargadas negativamente: los electrones, mientras se mueven a través de los sólidos, se denominan efectos galvanomagnéticos.

Cuando una corriente eléctrica fluye en un alambre sólido colocado en un campo magnético, los electrones que transportan esa corriente se desvían en una dirección perpendicular tanto a la dirección de la corriente como a la dirección del campo magnético. Cuanto más rápido se mueven los electrones, más se desvían.

Como resultado de la desviación de los electrones, se establecen gradientes de potencial eléctrico en direcciones perpendiculares a la dirección de la corriente. Debido al hecho de que los electrones que se mueven más rápido se desvían más que los que se mueven más lento, surgen gradientes térmicos, también perpendiculares a la dirección de la corriente.

Así, los efectos galvanomagnéticos incluyen fenómenos eléctricos y térmicos.

Dado que los electrones pueden moverse bajo la influencia de campos forzados eléctricos, térmicos y químicos, los efectos galvanomagnéticos se clasifican tanto por el tipo de campo forzado como por la naturaleza de los fenómenos resultantes: térmicos o eléctricos.

El término "galvanomagnético" se refiere solo a ciertos fenómenos observados en los sólidos, donde el único tipo de partículas capaces de moverse en una cantidad apreciable son los electrones, que funcionan como "agentes libres" o como agentes para la formación de los llamados agujeros.Por lo tanto, los fenómenos galvanomagnéticos también se clasifican según el tipo de portador involucrado en ellos: electrones libres o huecos.

Una de las manifestaciones de la energía térmica es el movimiento continuo de una parte de los electrones de cualquier sustancia sólida a lo largo de trayectorias aleatoriamente dirigidas ya velocidades aleatorias. Si estos movimientos tienen características completamente aleatorias, entonces la suma de todos los movimientos individuales de los electrones es cero y es imposible detectar las consecuencias de las desviaciones de las partículas individuales bajo la influencia de las fuerzas de Lorentz.

Si hay una corriente eléctrica, es transportada por un cierto número de partículas cargadas o portadores que se mueven en la misma o en la misma dirección.

En los sólidos, la corriente eléctrica surge como resultado de la superposición de algún movimiento unidireccional general sobre el movimiento aleatorio original de los electrones. En este caso, la actividad de los electrones es en parte una respuesta aleatoria al efecto de la energía térmica y en parte una respuesta unidireccional al efecto que genera una corriente eléctrica.

Un haz de electrones que se mueve en una órbita circular en un campo magnético constante. La luz púrpura que muestra la trayectoria de un electrón en este tubo es creada por la colisión de electrones con moléculas de gas.

Aunque cualquier movimiento de electrones responde a la acción de las fuerzas de Lorentz, sólo aquellos movimientos que contribuyen a la transferencia de corriente se reflejan en los fenómenos galvanomagnéticos.

Entonces, los fenómenos galvanomagnéticos son una de las consecuencias de colocar un cuerpo sólido en un campo magnético y agregar un movimiento unidireccional al movimiento de sus electrones, que en las condiciones iniciales era de naturaleza aleatoria.Uno de los resultados de esta combinación de condiciones es el aparición de gradientes de población de las partículas portadoras en una dirección perpendicular a su movimiento unidireccional.

Las fuerzas de Lorentz tienden a mover todos los portadores a un lado del cable. Dado que los portadores son partículas cargadas, tales gradientes de su población también crean gradientes de potencial eléctrico que equilibran las fuerzas de Lorentz y pueden excitar una corriente eléctrica.

En presencia de tal corriente, se establece un equilibrio de tres componentes entre las fuerzas de Lorentz, los voltajes galvanomagnéticos y los voltajes resistivos.

El movimiento aleatorio de los electrones está respaldado por la energía térmica, que está determinada por la temperatura de una sustancia. La energía necesaria para mantener las partículas moviéndose en una dirección debe provenir de otra fuente. Este último no puede formarse dentro de la propia sustancia, si se encuentra en un estado de equilibrio, la energía debe provenir del medio ambiente.

Así, la conversión galvanomagnética está relacionada con fenómenos eléctricos que son consecuencia de la aparición de gradientes de población de portadores; tales gradientes se establecen en los sólidos cuando se colocan en un campo magnético y se someten a diversas influencias del medio externo, provocando un movimiento unidireccional general de los portadores cuyo movimiento en las condiciones iniciales es aleatorio.

Clasificación de los efectos galvanomagnéticos

Se conocen seis efectos galvanomagnéticos principales:

1.Efectos de salón — la aparición de gradientes de potencial eléctrico como resultado de la desviación de los portadores durante su movimiento bajo la influencia del campo eléctrico forzado. En este caso, los huecos y los electrones se mueven simultánea o individualmente en direcciones opuestas y, por lo tanto, se desvían en la misma dirección.

Mirar - Aplicaciones del sensor Hall

2. Efectos Nerst — la aparición de gradientes de potencial eléctrico como resultado de la desviación de los portadores durante su movimiento bajo la influencia de un campo térmico forzado, mientras que los huecos y los electrones se mueven simultánea o separadamente en la misma dirección y por lo tanto se desvían en direcciones opuestas.

3. Efectos fotoelectromagnéticos y mecanoelectromagnéticos — la aparición de gradientes de potencial eléctrico como resultado de la desviación de los portadores durante su movimiento bajo la influencia del campo químico forzado (gradientes de la población de partículas). En este caso, los huecos y los electrones formados en pares se mueven juntos en la misma dirección y por lo tanto se desvían en direcciones opuestas.

4. Los efectos de Ettingshausen y Riga — Leduc — la aparición de gradientes térmicos como resultado de la desviación del portador, cuando los portadores calientes se desvían en mayor medida que los fríos. Si los gradientes térmicos ocurren en relación con los efectos Hall, entonces este fenómeno se denomina efecto Ettingshausen, si ocurren en relación con el efecto Nernst, entonces el fenómeno se denomina efecto Rigi-Leduc.

5. Aumento de la resistencia eléctrica como resultado de la desviación de los soportes durante su movimiento bajo la influencia de un campo eléctrico impulsor. Aquí, al mismo tiempo, hay una disminución en el área de la sección transversal efectiva del conductor debido al desplazamiento de los portadores hacia un lado y una disminución en la distancia recorrida por los portadores en la dirección del corriente debido a la extensión de su camino debido a que se mueven a lo largo de un camino curvo en lugar de uno recto.

6. Aumento de la resistencia térmica como resultado de condiciones cambiantes similares a las anteriores.

Sensor de efecto Hall

Los principales efectos combinados se dan en dos casos:

• cuando se crean las condiciones para el flujo de corriente eléctrica bajo la influencia de gradientes de potencial resultantes de los fenómenos anteriores;
• cuando se crean las condiciones para la formación de un flujo de calor bajo la influencia de gradientes térmicos resultantes de los fenómenos anteriores.

Además, se conocen efectos combinados, en los que uno de los efectos galvanomagnéticos se combina con uno o más efectos no galvanomagnéticos.

1. Efectos térmicos:

• cambios en la movilidad del portador debido a cambios de temperatura;
• las movilidades de electrones y huecos cambian en diversos grados dependiendo de la temperatura;
• cambios en la población de portadores debido a cambios de temperatura;
• las poblaciones de electrones y huecos cambian en diversos grados debido a los cambios de temperatura.

2. Efectos de la anisotropía. Las características anisotrópicas de las sustancias cristalinas alteran los resultados del fenómeno que se observaría con características isotrópicas.

3. Efectos termoeléctricos:

• los gradientes térmicos debidos a la separación de medios cálidos y fríos generan efectos termoeléctricos;
• los efectos termoeléctricos aumentan como resultado del sesgo del portador, el potencial químico por unidad de volumen de la sustancia cambia debido a un cambio en la población de portadores (efectos Nerst).

4. Efectos ferromagnéticos. La movilidad de los portadores en las sustancias ferromagnéticas depende de la fuerza y ​​dirección absolutas del campo magnético (como en el efecto gaussiano).

5. Influencia de las dimensiones. Si el cuerpo tiene grandes dimensiones en comparación con las trayectorias de los electrones, entonces las propiedades de la sustancia en todo el volumen del cuerpo tienen un efecto predominante en la actividad de los electrones. Si las dimensiones del cuerpo son pequeñas en comparación con las trayectorias de los electrones, entonces pueden predominar los efectos de superficie.

6. La influencia de campos fuertes. Los fenómenos galvanomagnéticos dependen de cuánto tiempo viajan los portadores a lo largo de su trayectoria de ciclotrón. En campos magnéticos fuertes, los portadores pueden viajar una distancia considerable a lo largo de este camino. El número total de diferentes efectos galvanomagnéticos posibles es más de doscientos, pero de hecho cada uno de ellos se puede obtener combinando los fenómenos enumerados anteriormente.

Ver también: Electricidad y magnetismo, definiciones básicas, tipos de partículas cargadas en movimiento