แรงอเรนซ์และผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้า

แรงที่ใช้กับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ

ถ้าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กโดยรอบ สนามแม่เหล็กภายในของอนุภาคที่เคลื่อนที่นั้นและสนามโดยรอบจะมีปฏิสัมพันธ์กัน ทำให้เกิดแรงที่กระทำต่ออนุภาคนั้น แรงนี้มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค อนุภาคเคลื่อนที่เดี่ยวที่มีประจุไฟฟ้าทำให้เกิดลักษณะ สนามแม่เหล็กไบโอซาวารา.

แม้ว่าสนาม Bio-Savart จะถูกสร้างโดยเส้นลวดยาวไม่จำกัดที่อนุภาคมีประจุจำนวนมากเคลื่อนที่ แต่ภาคตัดขวางของสนามแม่เหล็กรอบเส้นทางโคจรของอนุภาคแต่ละอนุภาคที่ผ่านอนุภาคนั้นมีโครงแบบวงกลมเหมือนกัน

อย่างไรก็ตาม สนาม Bio-Savart นั้นคงที่ทั้งในอวกาศและเวลา และสนามของอนุภาคแต่ละตัวที่วัด ณ จุดที่กำหนดในอวกาศจะเปลี่ยนไปเมื่ออนุภาคเคลื่อนที่

กฎของลอเรนซ์กำหนดแรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก:

F=kQB (dx/dt)

โดยที่ B คือประจุไฟฟ้าของอนุภาค B คือการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กภายนอกที่อนุภาคเคลื่อนที่ dx/dt — ความเร็วของอนุภาค F — แรงที่เกิดขึ้นกับอนุภาค k — ค่าคงที่ของสัดส่วน

สนามแม่เหล็กที่อยู่รอบๆ วิถีโคจรของอิเล็กตรอนจะหันตามเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากบริเวณที่อิเล็กตรอนเข้าใกล้ ภายใต้เงื่อนไขของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน สนามแม่เหล็กของอิเลคตรอนจะพุ่งตรงไปยังสนามภายนอก ทำให้อิเลคตรอนอ่อนกำลังลงในส่วนล่างของพื้นที่ที่แสดง และเกิดร่วมกับสนามภายนอก ทำให้อิเลคตรอนมีกำลังมากขึ้นในส่วนบน

ปัจจัยทั้งสองส่งผลให้เกิดแรงกดลงที่กระทำต่ออิเล็กตรอน ตามแนวเส้นตรงที่สอดคล้องกับทิศทางของสนามภายนอก สนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนจะมุ่งตรงไปยังสนามภายนอกเป็นมุมฉาก ด้วยทิศทางที่ตั้งฉากซึ่งกันและกันของสนาม ปฏิสัมพันธ์ของพวกเขาจึงไม่ก่อให้เกิดแรงใดๆ

ในระยะสั้น ถ้าอนุภาคที่มีประจุลบเคลื่อนที่จากซ้ายไปขวาในระนาบและสนามแม่เหล็กภายนอกถูกกำกับโดยผู้สังเกตที่ความลึกของโครงร่าง แรง Lorentz ที่กระทำต่ออนุภาคจะพุ่งจากบนลงล่าง

แรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุลบซึ่งมีวิถีการเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับเวกเตอร์แรงของสนามแม่เหล็กภายนอก

พลังของลอว์เรนซ์

เส้นลวดที่เคลื่อนที่ในอวกาศจะตัดผ่านเส้นแรงของสนามแม่เหล็กที่มีอยู่ในพื้นที่นี้ ซึ่งเป็นผลมาจากสนามบังคับทางกลบางอย่างที่กระทำกับอิเล็กตรอนภายในเส้นลวด

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นพร้อมกับเส้นลวดการเคลื่อนไหวนี้อาจถูกจำกัดโดยการกระทำของแรงใด ๆ ที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของตัวนำ อย่างไรก็ตาม ในทิศทางการเคลื่อนที่ของเส้นลวด อิเล็กตรอนจะไม่ได้รับผลกระทบจากความต้านทานไฟฟ้า

ระหว่างปลายทั้งสองของเส้นลวดดังกล่าว จะเกิดแรงดัน Lorentz ซึ่งเป็นสัดส่วนกับความเร็วของการเคลื่อนที่และการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ลอเรนซ์บังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปตามเส้นลวดในทิศทางเดียว ส่งผลให้มีอิเล็กตรอนสะสมอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของเส้นลวดมากกว่าที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

แรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการแยกประจุนี้มีแนวโน้มที่จะนำอิเล็กตรอนกลับสู่การกระจายแบบสม่ำเสมอและในที่สุดก็มีการสร้างสมดุลในขณะที่รักษาระดับแรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วนของความเร็วของเส้นลวด หากคุณสร้างเงื่อนไขที่กระแสสามารถไหลในสายไฟได้ แรงดันไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในวงจรซึ่งตรงข้ามกับแรงดัน Lorentz เดิม

ภาพแสดงการตั้งค่าการทดลองเพื่อสาธิตแรง Lorentz ภาพซ้าย: หน้าตาเป็นอย่างไร ขวา: Lorentz force effect อิเล็กตรอนบินจากด้านขวาไปทางด้านซ้าย แรงแม่เหล็กจะตัดผ่านเส้นทางการบินและเบี่ยงเบนลำอิเล็กตรอนลงด้านล่าง

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของประจุ ผลของสนามแม่เหล็กบนตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าจึงเป็นผลมาจากการกระทำของประจุไฟฟ้าแต่ละชนิด

การประยุกต์ใช้แรง Lorentz หลักคือในเครื่องใช้ไฟฟ้า (เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์)

แรงที่กระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของแรง Lorentz ที่กระทำต่อตัวนำประจุแต่ละตัว แรงนี้เรียกว่าแรงของแอมแปร์ นั่นคือแรงแอมแปร์เท่ากับผลรวมของแรง Lorentz ทั้งหมดที่กระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า ดู: กฎของแอมแปร์

ผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ผลที่ตามมาต่าง ๆ ของการกระทำของกองกำลัง Lorentz ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุลบ - อิเล็กตรอนในขณะที่เคลื่อนที่ผ่านของแข็งเรียกว่าผลทางแม่เหล็กไฟฟ้า

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลในเส้นลวดทึบที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนที่พากระแสไฟฟ้านั้นจะถูกหักเหในทิศทางที่ตั้งฉากกับทั้งทิศทางของกระแสและทิศทางของสนามแม่เหล็ก ยิ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วเท่าใด ก็ยิ่งเบี่ยงเบนมากขึ้นเท่านั้น

อันเป็นผลมาจากการเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอน การไล่ระดับสีของศักย์ไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางของกระแส เนื่องจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วกว่าจะถูกหักเหมากกว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ช้า การไล่ระดับความร้อนจึงเกิดขึ้นซึ่งตั้งฉากกับทิศทางของกระแสด้วย

ดังนั้น ผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าจึงรวมถึงปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและความร้อน

เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ความร้อน และเคมีบังคับ ผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าจึงถูกจำแนกตามประเภทของสนามบังคับและโดยธรรมชาติของปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น - ความร้อนหรือไฟฟ้า

คำว่า "กัลวาโนแมกเนติก" หมายถึงปรากฏการณ์บางอย่างที่สังเกตพบในของแข็งเท่านั้น โดยที่อนุภาคชนิดเดียวที่สามารถเคลื่อนที่ในปริมาณที่ประเมินค่าได้คืออิเล็กตรอน ซึ่งทำหน้าที่เป็น "สารอิสระ" หรือเป็นตัวการสำหรับการก่อตัวของสิ่งที่เรียกว่ารูดังนั้น ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าจึงถูกจัดประเภทตามประเภทของพาหะที่เกี่ยวข้องด้วย เช่น อิเลคตรอนอิสระหรือโฮล

หนึ่งในปรากฏการณ์ของพลังงานความร้อนคือการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องของส่วนหนึ่งของอิเล็กตรอนของสารที่เป็นของแข็งใดๆ ไปตามวิถีการเคลื่อนที่แบบสุ่มและด้วยความเร็วแบบสุ่ม หากการเคลื่อนที่เหล่านี้มีลักษณะสุ่มอย่างสมบูรณ์ ผลรวมของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทั้งหมดจะเป็นศูนย์ และเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจจับผลที่ตามมาจากการเบี่ยงเบนของอนุภาคแต่ละตัวภายใต้อิทธิพลของแรงลอเรนซ์

หากมีกระแสไฟฟ้า อนุภาคหรือพาหะที่มีประจุจำนวนหนึ่งจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันหรือทิศทางเดียวกัน

ในของแข็ง กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการซ้อนทับของการเคลื่อนที่ทิศทางเดียวทั่วไปบนการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอิเล็กตรอน ในกรณีนี้ กิจกรรมของอิเล็กตรอนส่วนหนึ่งเป็นการตอบสนองแบบสุ่มต่อผลกระทบของพลังงานความร้อน และส่วนหนึ่งเป็นการตอบสนองทิศทางเดียวต่อผลกระทบที่สร้างกระแสไฟฟ้า

ลำแสงอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมในสนามแม่เหล็กคงที่ แสงสีม่วงที่แสดงเส้นทางของอิเล็กตรอนในหลอดนี้เกิดจากการชนกันของอิเล็กตรอนกับโมเลกุลของแก๊ส

แม้ว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะตอบสนองต่อการกระทำของแรง Lorentz แต่การเคลื่อนไหวเหล่านั้นที่ส่งผลต่อการถ่ายโอนกระแสเท่านั้นที่สะท้อนให้เห็นในปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ดังนั้นปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นผลอย่างหนึ่งของการวางวัตถุทึบในสนามแม่เหล็กและเพิ่มการเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวให้กับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนซึ่งภายใต้เงื่อนไขเริ่มต้นนั้นเป็นไปแบบสุ่มหนึ่งในผลลัพธ์ของการรวมกันของเงื่อนไขนี้คือ การปรากฏตัวของการไล่ระดับสีประชากรของอนุภาคพาหะในทิศทางที่ตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ในทิศทางเดียว

กองกำลัง Lorentz มีแนวโน้มที่จะย้ายพาหะทั้งหมดไปยังด้านใดด้านหนึ่งของเส้นลวด เนื่องจากพาหะเป็นอนุภาคที่มีประจุ การไล่ระดับสีดังกล่าวของประชากรจึงสร้างการไล่ระดับของศักย์ไฟฟ้าที่ทำให้แรงลอเรนซ์สมดุลและสามารถกระตุ้นกระแสไฟฟ้าได้

เมื่อมีกระแสดังกล่าว สมดุลสามองค์ประกอบจะถูกสร้างขึ้นระหว่างแรงลอเรนซ์ แรงดันกัลวาโนแมกเนติก และแรงดันตัวต้านทาน

การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอิเล็กตรอนได้รับการสนับสนุนโดยพลังงานความร้อน ซึ่งกำหนดโดยอุณหภูมิของสสาร พลังงานที่จำเป็นเพื่อให้อนุภาคเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวต้องมาจากแหล่งอื่น สิ่งหลังนี้ไม่สามารถก่อตัวขึ้นภายในสสารได้เอง หากอยู่ในสภาวะสมดุล พลังงานจะต้องมาจากสิ่งแวดล้อม

ดังนั้นการแปลงกระแสไฟฟ้าจึงเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าที่เป็นผลมาจากการปรากฏตัวของการไล่ระดับสีประชากรพาหะ การไล่ระดับสีดังกล่าวถูกสร้างขึ้นในของแข็งเมื่อถูกวางไว้ในสนามแม่เหล็กและอยู่ภายใต้อิทธิพลต่างๆ จากสภาพแวดล้อมภายนอก ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวโดยทั่วไปของพาหะซึ่งการเคลื่อนที่ในสภาวะเริ่มต้นจะเป็นแบบสุ่ม

การจำแนกประเภทของผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ทราบผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าหลักหกประการ:

1.เอฟเฟกต์ฮอลล์ — การปรากฏตัวของความต่างศักย์ไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการเบี่ยงเบนของตัวพาระหว่างการเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าบังคับ ในกรณีนี้ โฮลและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่พร้อมกันหรือแยกกันในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นจึงเบี่ยงเบนไปในทิศทางเดียวกัน

ดู - การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ Hall

2. เอฟเฟกต์ Nerst — การปรากฏตัวของการไล่ระดับศักย์ไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการเบี่ยงเบนของตัวพาระหว่างการเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามความร้อนที่ถูกบังคับ ในขณะที่โฮลและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่พร้อมกันหรือแยกกันในทิศทางเดียวกัน ดังนั้นจึงเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงกันข้าม

3. เอฟเฟกต์แม่เหล็กไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้ากล — ลักษณะของความต่างศักย์ไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการเบี่ยงเบนของตัวพาระหว่างการเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามเคมีบังคับ (การไล่ระดับสีของประชากรของอนุภาค) ในกรณีนี้ โฮลและอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นเป็นคู่จะเคลื่อนเข้าหากันในทิศทางเดียวกันและเบี่ยงเบนไปในทิศทางตรงกันข้าม

4. ผลกระทบของ Ettingshausen และ Riga — Leduc — การปรากฏตัวของการไล่ระดับความร้อนอันเป็นผลมาจากการโก่งตัวของพาหะ เมื่อพาหะร้อนถูกเบี่ยงเบนในระดับที่มากกว่าพาหะเย็น หากการไล่ระดับความร้อนเกิดขึ้นจากเอฟเฟกต์ Hall ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ Ettingshausen หากเกิดขึ้นจากเอฟเฟกต์ Nernst ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ Rigi-Leduc

5. ความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอันเป็นผลมาจากการโก่งตัวของพาหะระหว่างการเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าขับเคลื่อน ในเวลาเดียวกันพื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพของตัวนำลดลงเนื่องจากการเลื่อนของพาหะไปด้านหนึ่งและการลดลงของระยะทางที่พาหะเดินทางในทิศทางของ ปัจจุบันเนื่องจากการขยายเส้นทางเนื่องจากการเคลื่อนที่ไปตามทางโค้งแทนที่จะเป็นทางตรง

6. ความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้นอันเป็นผลมาจากสภาวะการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกับข้างต้น

เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์

ผลรวมหลักเกิดขึ้นในสองกรณี:

• เมื่อเงื่อนไขถูกสร้างขึ้นสำหรับการไหลของกระแสไฟฟ้าภายใต้อิทธิพลของการไล่ระดับสีที่อาจเกิดขึ้นจากปรากฏการณ์ข้างต้น
• เมื่อเงื่อนไขถูกสร้างขึ้นสำหรับการก่อตัวของการไหลของความร้อนภายใต้อิทธิพลของการไล่ระดับความร้อนซึ่งเป็นผลมาจากปรากฏการณ์ข้างต้น

นอกจากนี้ ยังรู้จักเอฟเฟกต์แบบรวม ซึ่งหนึ่งในเอฟเฟกต์แบบกัลวาโนแมกเนติกถูกรวมเข้ากับเอฟเฟกต์ที่ไม่ใช่แบบแบบกัลวาโนแมกเนติกอย่างน้อยหนึ่งอย่าง

1. ผลกระทบจากความร้อน:

• การเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของพาหะเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
• การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและรูจะเปลี่ยนเป็นองศาที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
• การเปลี่ยนแปลงของประชากรพาหะเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
• ประชากรอิเล็กตรอนและโฮลเปลี่ยนไปในระดับที่แตกต่างกันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

2. ผลของแอนไอโซโทรปี ลักษณะแบบแอนไอโซโทรปิกของสารที่เป็นผลึกจะเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์ของปรากฏการณ์ที่จะสังเกตได้ด้วยลักษณะไอโซโทรปิก

3. ผลกระทบของเทอร์โมอิเล็กทริก:

• การไล่ระดับความร้อนเนื่องจากการแยกตัวกลางที่อุ่นและเย็นทำให้เกิดเทอร์โมอิเล็กทริก
• ผลกระทบของเทอร์โมอิเล็กทริกจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากอคติของพาหะ ศักยภาพของสารเคมีต่อหน่วยปริมาตรของสารเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของประชากรพาหะ (Nerst effects)

4. เอฟเฟกต์แม่เหล็กไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของพาหะในสารแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็ก (เช่นเดียวกับ Gaussian effect)

5. อิทธิพลของมิติ หากร่างกายมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับวิถีอิเล็กตรอน คุณสมบัติของสารตลอดปริมาตรของร่างกายจะมีผลเด่นต่อกิจกรรมของอิเล็กตรอน หากขนาดของร่างกายมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับวิถีโคจรของอิเล็กตรอน ผลกระทบจากพื้นผิวอาจมีอิทธิพลเหนือกว่า

6. อิทธิพลของสนามที่แข็งแกร่ง ปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่พาหะเดินทางไปตามวิถีโคจรของไซโคลตรอน ในสนามแม่เหล็กแรงสูง ยานขนส่งสามารถเดินทางเป็นระยะทางไกลตามเส้นทางนี้ จำนวนรวมของผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เป็นไปได้แตกต่างกันมีมากกว่าสองร้อย แต่ในความเป็นจริง แต่ละผลกระทบสามารถรับได้จากการรวมปรากฏการณ์ที่ระบุไว้ข้างต้น

ดูสิ่งนี้ด้วย: ไฟฟ้าและแม่เหล็ก ความหมายเบื้องต้น ชนิดของอนุภาคมีประจุที่เคลื่อนที่ได้