लॉरेंस बल और गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभाव
गतिमान आवेशित कणों पर लागू बल
यदि एक विद्युत आवेशित कण आसपास के चुंबकीय क्षेत्र में चलता है, तो उस गतिमान कण का आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र और आसपास का क्षेत्र परस्पर क्रिया करता है, जिससे कण पर लागू बल उत्पन्न होता है। यह बल कण की गति की दिशा को बदलने की प्रवृत्ति रखता है। एक विद्युत आवेश वाला एक गतिमान कण उपस्थिति का कारण बनता है जैव-सावरा चुंबकीय क्षेत्र.
यद्यपि बायो-सावर्ट क्षेत्र, सख्ती से बोलना, केवल एक असीम रूप से लंबे तार द्वारा उत्पन्न होता है जिसमें कई आवेशित कण चलते हैं, उस कण से गुजरने वाले एक कण के प्रक्षेपवक्र के चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र के क्रॉस-सेक्शन में एक ही गोलाकार विन्यास होता है।
हालाँकि, बायो-सावर्ट क्षेत्र अंतरिक्ष और समय दोनों में स्थिर है, और अंतरिक्ष में दिए गए बिंदु पर मापा गया एक व्यक्तिगत कण का क्षेत्र कण के चलने पर बदल जाता है।
लॉरेंत्ज़ का नियम चुंबकीय क्षेत्र में गतिमान विद्युत आवेशित कण पर कार्य करने वाले बल को परिभाषित करता है:
एफ = केक्यूबी (डीएक्स / डीटी),
कहाँ पे बी — कण का विद्युत आवेश; बी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र का प्रेरण है जिसमें कण चलता है; dx/dt — कणों का वेग; एफ - कण पर परिणामी बल; k - आनुपातिकता का स्थिरांक।
इलेक्ट्रॉन के प्रक्षेपवक्र के आसपास के चुंबकीय क्षेत्र को दक्षिणावर्त निर्देशित किया जाता है जब उस क्षेत्र से देखा जाता है जहां इलेक्ट्रॉन आ रहा है। इलेक्ट्रॉन की गति की शर्तों के तहत, इसका चुंबकीय क्षेत्र बाहरी क्षेत्र के खिलाफ निर्देशित होता है, इसे दिखाए गए क्षेत्र के निचले हिस्से में कमजोर करता है, और बाहरी क्षेत्र के साथ मेल खाता है, इसे ऊपरी हिस्से में मजबूत करता है।
दोनों कारकों के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन पर एक अधोमुखी बल लागू होता है। बाहरी क्षेत्र की दिशा के साथ मेल खाने वाली एक सीधी रेखा के साथ, इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय क्षेत्र बाहरी क्षेत्र के समकोण पर निर्देशित होता है। खेतों की ऐसी परस्पर लंबवत दिशा के साथ, उनकी बातचीत से कोई बल उत्पन्न नहीं होता है।
संक्षेप में, यदि एक नकारात्मक रूप से आवेशित कण एक विमान में बाएं से दाएं चलता है और बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पर्यवेक्षक द्वारा योजना की गहराई पर निर्देशित किया जाता है, तो कण पर लागू लोरेंत्ज़ बल ऊपर से नीचे की ओर निर्देशित होता है।
एक नकारात्मक रूप से आवेशित कण पर कार्य करने वाले बल जिसका प्रक्षेपवक्र बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के बल वेक्टर के लंबवत निर्देशित होता है
लॉरेंस की शक्तियां
अंतरिक्ष में गतिमान एक तार इस स्थान में विद्यमान चुंबकीय क्षेत्र की बल की रेखाओं को पार करता है, जिसके परिणामस्वरूप एक निश्चित यांत्रिक बल क्षेत्र तार के अंदर इलेक्ट्रॉनों पर कार्य करता है।
एक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की गति तार के साथ होती है।कंडक्टर के आंदोलन को बाधित करने वाली किसी भी ताकत की कार्रवाई से यह आंदोलन प्रतिबंधित हो सकता है; हालाँकि, तार की यात्रा की दिशा में, इलेक्ट्रॉन विद्युत प्रतिरोध से प्रभावित नहीं होते हैं।
इस तरह के तार के दो सिरों के बीच एक लोरेंत्ज़ वोल्टेज उत्पन्न होता है, जो गति की गति और चुंबकीय प्रेरण के समानुपाती होता है। लोरेंत्ज़ बल एक दिशा में तार के साथ इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है, जिसके परिणामस्वरूप तार के एक छोर पर दूसरे की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन जमा होते हैं।
आवेशों के इस पृथक्करण से उत्पन्न वोल्टेज इलेक्ट्रॉनों को एक समान वितरण में वापस लाने के लिए जाता है और अंततः तार की गति के लिए एक निश्चित वोल्टेज आनुपातिक बनाए रखते हुए संतुलन स्थापित किया जाता है। यदि आप ऐसी स्थितियाँ बनाते हैं जहाँ तार में करंट प्रवाहित हो सकता है, तो सर्किट में एक वोल्टेज स्थापित हो जाएगा जो मूल लोरेंत्ज़ वोल्टेज के विपरीत है।
फोटो लोरेंत्ज़ बल को प्रदर्शित करने के लिए एक प्रायोगिक सेटअप दिखाता है। बायां चित्र: यह कैसा दिखता है दायां: लोरेंत्ज़ बल प्रभाव। एक इलेक्ट्रॉन दाएं छोर से बाईं ओर उड़ता है। चुंबकीय बल उड़ान पथ को पार करता है और इलेक्ट्रॉन बीम को नीचे की ओर विक्षेपित करता है।
चूँकि विद्युत धारा आवेशों की एक क्रमबद्ध गति है, एक धारावाही चालक पर चुंबकीय क्षेत्र का प्रभाव अलग-अलग गतिमान आवेशों पर इसकी क्रिया का परिणाम है।
लोरेंत्ज़ बल का मुख्य अनुप्रयोग विद्युत मशीनों (जेनरेटर और मोटर्स) में है।
एक चुंबकीय क्षेत्र में एक धारावाही चालक पर कार्य करने वाला बल प्रत्येक आवेश वाहक पर कार्य करने वाले लोरेंत्ज़ बलों के सदिश योग के बराबर होता है। इस बल को एम्पीयर का बल कहा जाता है, अर्थात।एम्पीयर बल एक धारावाही चालक पर कार्य करने वाले सभी लोरेंत्ज़ बलों के योग के बराबर है। देखना: एम्पीयर का नियम
गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभाव
लोरेंत्ज़ बलों की कार्रवाई के विभिन्न परिणाम, नकारात्मक रूप से आवेशित कणों - इलेक्ट्रॉनों के प्रक्षेपवक्र के विचलन के कारण, ठोस पदार्थों के माध्यम से चलते हुए, गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभाव कहलाते हैं।
जब एक चुंबकीय क्षेत्र में रखे ठोस तार में विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो उस धारा को ले जाने वाले इलेक्ट्रॉन धारा की दिशा और चुंबकीय क्षेत्र की दिशा दोनों के लंबवत दिशा में विक्षेपित होते हैं। जितनी तेजी से इलेक्ट्रॉन चलते हैं, उतने ही अधिक विक्षेपित होते हैं।
इलेक्ट्रॉनों के विक्षेपण के परिणामस्वरूप, विद्युत क्षमता के ग्रेडियेंट वर्तमान की दिशा के लंबवत दिशाओं में स्थापित होते हैं। इस तथ्य के कारण कि धीमी गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों की तुलना में तेजी से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों को अधिक विक्षेपित किया जाता है, थर्मल ग्रेडियेंट उत्पन्न होते हैं, वर्तमान की दिशा के लंबवत भी।
इस प्रकार, गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभावों में विद्युत और तापीय घटनाएं शामिल हैं।
यह देखते हुए कि इलेक्ट्रॉन विद्युत, तापीय और रासायनिक क्षेत्रों को मजबूर करने के प्रभाव में आगे बढ़ सकते हैं, गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभावों को बल क्षेत्र के प्रकार और परिणामी घटना की प्रकृति - थर्मल या इलेक्ट्रिकल दोनों द्वारा वर्गीकृत किया जाता है।
शब्द "गैल्वेनोमैग्नेटिक" केवल ठोस पदार्थों में देखी गई कुछ घटनाओं को संदर्भित करता है, जहां किसी भी प्रशंसनीय मात्रा में स्थानांतरित करने में सक्षम एकमात्र प्रकार के कण इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो या तो "मुक्त एजेंट" या तथाकथित छिद्रों के गठन के लिए एजेंट के रूप में कार्य करते हैं।इसलिए, गैल्वेनोमैग्नेटिक घटनाओं को भी उनमें शामिल वाहक के प्रकार के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है - मुक्त इलेक्ट्रॉन या छिद्र।
ऊष्मीय ऊर्जा की अभिव्यक्तियों में से एक किसी भी ठोस पदार्थ के इलेक्ट्रॉनों के एक हिस्से की निरंतर गति है जो बेतरतीब ढंग से निर्देशित प्रक्षेपवक्र और यादृच्छिक गति से होती है। यदि इन गतियों में पूरी तरह से यादृच्छिक विशेषताएं हैं, तो इलेक्ट्रॉनों के सभी अलग-अलग गतियों का योग शून्य है, और लोरेंत्ज़ बलों के प्रभाव में व्यक्तिगत कणों के विचलन के किसी भी परिणाम का पता लगाना असंभव है।
यदि कोई विद्युत धारा है, तो यह एक निश्चित संख्या में आवेशित कणों या वाहकों द्वारा समान या समान दिशा में चलती है।
ठोस पदार्थों में, इलेक्ट्रॉनों की मूल यादृच्छिक गति पर कुछ सामान्य यूनिडायरेक्शनल गति के सुपरपोजिशन के परिणामस्वरूप विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। इस मामले में, इलेक्ट्रॉन गतिविधि आंशिक रूप से तापीय ऊर्जा के प्रभाव के लिए एक यादृच्छिक प्रतिक्रिया है और आंशिक रूप से विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने वाले प्रभाव के लिए एक अप्रत्यक्ष प्रतिक्रिया है।
एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र में गोलाकार कक्षा में घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों का एक बीम। इस ट्यूब में एक इलेक्ट्रॉन का मार्ग दिखाने वाला बैंगनी प्रकाश गैस के अणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों की टक्कर से बनता है।
यद्यपि इलेक्ट्रॉनों का कोई भी संचलन लोरेंत्ज़ बलों की कार्रवाई का जवाब देता है, केवल वे गतियाँ जो धारा के हस्तांतरण में योगदान करती हैं, गैल्वेनोमैग्नेटिक घटना में परिलक्षित होती हैं।
तो, गैल्वेनोमैग्नेटिक घटनाएं एक ठोस शरीर को एक चुंबकीय क्षेत्र में रखने और उसके इलेक्ट्रॉनों की गति के लिए यूनिडायरेक्शनल गति को जोड़ने के परिणामों में से एक हैं, जो प्रारंभिक परिस्थितियों में प्रकृति में यादृच्छिक थी। शर्तों के इस संयोजन के परिणामों में से एक है वाहक कणों की समष्टि प्रवणताओं का उनके एकदिशीय गति के लम्बवत् दिशा में प्रकट होना।
लोरेंत्ज़ बल सभी वाहकों को तार के एक तरफ ले जाने की प्रवृत्ति रखते हैं। चूँकि वाहक आवेशित कण होते हैं, इसलिए उनकी आबादी के ऐसे ढाल भी विद्युत क्षमता के ढाल बनाते हैं जो लोरेंत्ज़ बलों को संतुलित करते हैं और स्वयं एक विद्युत प्रवाह को उत्तेजित कर सकते हैं।
इस तरह की धारा की उपस्थिति में, लोरेंत्ज़ बलों, गैल्वेनोमैग्नेटिक वोल्टेज और प्रतिरोधक वोल्टेज के बीच एक तीन-घटक संतुलन स्थापित होता है।
इलेक्ट्रॉनों की यादृच्छिक गति तापीय ऊर्जा द्वारा समर्थित होती है, जो किसी पदार्थ के तापमान द्वारा निर्धारित होती है। कणों को एक दिशा में गतिमान रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा दूसरे स्रोत से आनी चाहिए। यह उत्तरार्द्ध पदार्थ के अंदर ही नहीं बन सकता है, यदि यह संतुलन की स्थिति में है, तो ऊर्जा पर्यावरण से आनी चाहिए।
इस प्रकार, गैल्वेनोमैग्नेटिक रूपांतरण विद्युत घटना से संबंधित है जो वाहक जनसंख्या ग्रेडियेंट की उपस्थिति का परिणाम है; इस तरह के ढाल ठोस पदार्थों में स्थापित होते हैं जब उन्हें एक चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है और बाहरी वातावरण से विभिन्न प्रभावों के अधीन होता है, जिससे वाहकों का एक सामान्य यूनिडायरेक्शनल आंदोलन होता है, जिनकी प्रारंभिक स्थितियों में गति यादृच्छिक होती है।
गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभावों का वर्गीकरण
छह मुख्य गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभाव ज्ञात हैं:
1.हॉल प्रभाव - बल विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में उनके आंदोलन के दौरान वाहक के विचलन के परिणामस्वरूप विद्युत क्षमता के ढाल की उपस्थिति। इस मामले में, छेद और इलेक्ट्रॉन एक साथ या व्यक्तिगत रूप से विपरीत दिशाओं में चलते हैं और इसलिए एक ही दिशा में विचलित होते हैं।
देखना - हॉल सेंसर अनुप्रयोग
2. नेस्ट प्रभाव - एक मजबूर थर्मल क्षेत्र के प्रभाव में उनके आंदोलन के दौरान वाहक के विक्षेपण के परिणामस्वरूप विद्युत संभावित ढाल की उपस्थिति, जबकि छेद और इलेक्ट्रॉन एक साथ या अलग-अलग एक ही दिशा में चलते हैं और इसलिए विपरीत दिशाओं में विचलित होते हैं।
3. फोटोइलेक्ट्रोमैग्नेटिक और मैकेनोइलेक्ट्रोमैग्नेटिक प्रभाव - मजबूर रासायनिक क्षेत्र (कणों की आबादी के ग्रेडिएंट) के प्रभाव में उनके आंदोलन के दौरान वाहक के विचलन के परिणामस्वरूप विद्युत क्षमता के ग्रेडिएंट्स की उपस्थिति। इस मामले में, जोड़े में बने छेद और इलेक्ट्रॉन एक ही दिशा में एक साथ चलते हैं और इसलिए विपरीत दिशाओं में विचलित होते हैं।
4. एटिंग्सहॉसन और रीगा के प्रभाव - लेडुक - वाहक विक्षेपण के परिणामस्वरूप थर्मल ग्रेडिएंट्स की उपस्थिति, जब गर्म वाहक ठंडे की तुलना में अधिक हद तक विक्षेपित होते हैं। यदि हॉल प्रभाव के संबंध में थर्मल ग्रेडियेंट होते हैं, तो इस घटना को एटिंग्सहौसेन प्रभाव कहा जाता है, यदि वे नर्नस्ट प्रभाव के संबंध में होते हैं, तो घटना को रिगी-लेडुक प्रभाव कहा जाता है।
5. ड्राइविंग विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में उनके आंदोलन के दौरान वाहक के विक्षेपण के परिणामस्वरूप विद्युत प्रतिरोध में वृद्धि। यहाँ, एक ही समय में, वाहक के एक तरफ शिफ्ट होने के कारण कंडक्टर के प्रभावी क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र में कमी होती है और वाहक द्वारा यात्रा की दिशा में तय की गई दूरी में कमी होती है। सीधे के बजाय घुमावदार पथ के साथ चलने के कारण उनके पथ के विस्तार के कारण करंट।
6. उपरोक्त के समान बदलती परिस्थितियों के परिणामस्वरूप थर्मल प्रतिरोध में वृद्धि।
हॉल इफेक्ट सेंसर
मुख्य संयुक्त प्रभाव दो मामलों में होते हैं:
- जब उपरोक्त घटना से उत्पन्न संभावित ढाल के प्रभाव में विद्युत प्रवाह के प्रवाह के लिए स्थितियां बनाई जाती हैं;
- जब उपरोक्त घटना से उत्पन्न तापीय प्रवणता के प्रभाव में ऊष्मा प्रवाह के निर्माण के लिए परिस्थितियाँ निर्मित होती हैं।
इसके अलावा, संयुक्त प्रभाव ज्ञात हैं, जिसमें गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभावों में से एक को एक या अधिक गैर-गैल्वेनोमैगनेटिक प्रभावों के साथ जोड़ा जाता है।
1. ऊष्मीय प्रभाव:
- तापमान परिवर्तन के कारण वाहक गतिशीलता में परिवर्तन;
- तापमान के आधार पर इलेक्ट्रॉन और छिद्र की गतिशीलता अलग-अलग डिग्री में बदलती है;
- तापमान परिवर्तन के कारण वाहक जनसंख्या में परिवर्तन;
- तापमान में बदलाव के कारण इलेक्ट्रॉन और छेद की आबादी अलग-अलग डिग्री में बदल जाती है।
2. अनिसोट्रॉपी के प्रभाव। क्रिस्टलीय पदार्थों की अनिसोट्रोपिक विशेषताएँ उस घटना के परिणामों को बदल देती हैं जो आइसोट्रोपिक विशेषताओं के साथ देखी जाएगी।
3. थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव:
- गर्म और ठंडे मीडिया के अलग होने के कारण थर्मल ग्रेडियेंट थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव उत्पन्न करते हैं;
- वाहक पूर्वाग्रह के परिणामस्वरूप थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव बढ़ाया जाता है, पदार्थ की प्रति इकाई मात्रा में रासायनिक क्षमता वाहक आबादी (नेस्ट प्रभाव) में परिवर्तन के कारण बदलती है।
4. फेरोमैग्नेटिक प्रभाव। फेरोमैग्नेटिक पदार्थों में वाहक गतिशीलता चुंबकीय क्षेत्र की पूर्ण शक्ति और दिशा पर निर्भर करती है (जैसा कि गॉसियन प्रभाव में)।
5. आयामों का प्रभाव। यदि इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपवक्र की तुलना में शरीर में बड़े आयाम हैं, तो शरीर के पूरे आयतन में पदार्थ के गुणों का इलेक्ट्रॉन गतिविधि पर प्रमुख प्रभाव पड़ता है। यदि इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपवक्र की तुलना में शरीर के आयाम छोटे हैं, तो सतह के प्रभाव प्रबल हो सकते हैं।
6. मजबूत क्षेत्रों का प्रभाव। गैल्वेनोमैग्नेटिक घटनाएं इस बात पर निर्भर करती हैं कि वाहक अपने साइक्लोट्रॉन प्रक्षेपवक्र के साथ कितनी देर तक यात्रा करते हैं। मजबूत चुंबकीय क्षेत्र में, वाहक इस रास्ते पर काफी दूरी तय कर सकते हैं। विभिन्न संभावित गैल्वेनोमैग्नेटिक प्रभावों की कुल संख्या दो सौ से अधिक है, लेकिन वास्तव में उनमें से प्रत्येक को ऊपर सूचीबद्ध घटनाओं के संयोजन से प्राप्त किया जा सकता है।
यह सभी देखें: बिजली और चुंबकत्व, बुनियादी परिभाषाएँ, गतिमान आवेशित कणों के प्रकार