Các hiệu ứng từ nhiệt điện - Hiệu ứng điện từ- 123docz.net

Chơng II Hiệu ứng điện từ

3. Các hiệu ứng từ nhiệt điện

Chúng ta phân biệt các hiệu ứng từ nhiệt và các hiệu ứng từ nhiệt

điện. Các hiệu ứng từ nhiệt là các hiệu ứng xẩy ra khi có gradien nhiệt độ, có tác dụng của từ trờng nhng không có dòng điện chạy qua mẫu.Các hiệu ứng từ nhiệt điện là các hiệu ứng xẩy ra khi có gradien nhiệt độ, từ trờng và có dòng điện.

3.1. Hiệu ứng Nernst.

Đây là hiệu ứng từ nhiệt dễ đo nhất trong các hiệu ứng từ nhiệt, bởi vì trong các hiệu ứng khác dòng năng lợng thờng bị lẫn đi trong sự truyền nhiệt do dao động mạng nên hiệu điện thế liên quan sẽ rất nhỏ.

Mẫu thí nghiệm hiệu ứng này giống mẫu đo hiệu ứng Hall và đợc bố trí nh hình vẽ.

nãng

N Vn

Wx Wx

Nam ch©m lạnh

x y

Hình 3: Sơ đồ thực nghiệm hiệu ứng Nernst

ở đây ta cho từ trờng song song trục y, →B= ( 0, By, 0). Trong mẫu đ- ợc tạo nên một gradien nhiệt độ theo trục x, ∇→T = (∇xT, 0,0).Chúng ta sẽ thấy trong mẫu xuất hiện một điện trờng vuông góc với từ trờng và gradien nhiệt độ. Đó chính là nội dung hiệu ứng Nernst( hay là hiệu ứng từ nhiệt ngang)

Nếu ký hiệu điện trờng sinh ra trong hiệu ứng Nernst là εN thì ta có thÓ viÕt:

By x QN T

N .

∂

= ∂ ε

(2.3.1).

Trong đó QN là hệ số Nernst xác định bởi công thức:

QN= By

x T

∂ .

∂ε

(2.3.2).

QN đợc đo khi →J = 0 bằng đơn vị (cm2/s.K) chúng ta có thể giải thích hiệu ứng Nernst nh sau:

Do tồn tại Gradien nhiệt độ theo trục x, trong chất bán dẫn xuất hiện trờng nhiệt điện theo trục x. Trờng này gây nên dòng cuốn Jεx để trung hoà dòng khuếch tán JDx và bảo đảm điều kiện: Jx = Jεx + JDx = 0. Do có từ trờng tác dụng nên hai dòng điện Jεxvà JDx chịu sự tác động đó. Hai dòng này

ngợc chiều nhau về hai hớng của trục z tạo nên hai thành phần dòng theo trục z là JεzvàJDz. Mặc dầu dòng tổng cộng theo trục x là Jx = 0 nhng dòng tổng cộng theo trục z nói chung khác không nếu mẫu không giới hạn theo trục z. Tuy nhiên vì mẫu giới hạn, ngay sau khi xuất hiện thành phần Jz

điện tích sẽ tích tụ lại trên mặt mẫu vuông góc với trục z và làm xuất hiện

điện trờng εz mà ta gọi là điện trờng Nernst εN= εz. Điều kiện để cho Jz = 0 là:

Jz +σBzεN = 0 (2.3.3).

Trong đó σBZ là độ dẫn trong từ trờng của mẫu theo trục z.

Tõ (2.3.3) ta cã:



 +

−

BZ Dz z Bz

z z

J J J

σ ε σ

ε ε (2.3.4).

Chúng ta thấy rằng εN sẽ đổi dấu khi ta đổi chiều từ trờng nh trong hiệu ứng Hall. Đại lợng QN phụ thuộc vào dấu của hạt dẫn cơ bản cũng nh cơ chế tán xạ hạt dẫn.

3.2. Hiệu ứng Ettingshausen.

Hình 4: Sơ đồ thực nghiệm hiệu ứng Ettingshausen.

Trong thí nghiệm nghiên cứu hiệu ứng Ettingshausen ở hình (4), mẫu

đo và cách bố trí gần giống nh trong hiệu ứng Hall. Điều khác chủ yếu là ở

đây ta không đo hiệu điện thế hay điện trờng Hall mà là đo Gradien nhiệt

độ xuất hiện theo trục z khi ta cho dòng điện chạy theo trục x. Đó chính là hiệu ứng từ – nhiệt - điện Etingshausen.

Hiện tợng này đợc giải thích nh sau : về trung bình thì lực lorenz và lực điện trờng Hall εH = εZ tác dụng lên hạt dẫn, làm cho các hạt dẫn chuyển động đúng bằng vận tốc trung bình νd song song với trục x. Tuy nhiên vận tốc của hạt dẫn không bằng nhau, các hạt dẫn chuyển động nhanh hơn vận tốc trung bình chịu tác dụng của lực lorenz e ì→v →Blớn hơn lực điện trờng Hall e εH. Ngợc lại, các hạt dẫn chuyển động chậm hơn vận tốc trung bình chịu tác dụng lực Lorenz nhỏ hơn lực điện trờng Hall. Vì lẽ

đó các hạt dẫn nóng (nhanh) sẽ lệch về một phía ngợc hớng với các hạt dẫn nguội (chậm), chúng lệch về phía hai mặt đối diện nhau vuông góc với trục x, gây nên một gradien nhiệt độ theo trục z. Ta có thể biểu diễn gradien nhiệt độ Ettingshausen đó dới dạng sau:

nãng

By N

Nam ch©m lạnh

y x E E

E P J B P J B

T  =

 ×

∇ → →

(2.3.5)

Đại lợng

y x

E J B

P = ∇T gọi là hệ số Ettingshausen đo bằng đơn vị (cm3/W.s) .

3.3. Hiệu ứng Righi Ledec. –

Hình 5: Sơ đồ thực nghiệm hiệu ứng Highi Leduc.–

Hiệu ứng Righi – leduc đợc đo nh ở sơ đồ hình (5), đó là sự xuất hiện một gradien nhiệt độ vuông góc với građien nhiệt độ vốn có ban đầu khi đặt từ trờng vuông góc với gradien nhiệt độ đó. Gradien nhiệt độ mới xuất hiện đó vuông góc với từ trờng và gradien nhiệt độ ban đầu. Ngời ta mô tả hiệu ứng Righi – leduc bằng công thức sau đây:

x By T Z S

RL ∂

= ∂

∂

∂ (2.3.6).

SRL gọi là hệ số Righi – leduc đo bằng đơn vị cm2/V.s:

S B TT

x z

RL ∇

= ∇ (2.3.7).

Chúng ta có thể giải thích hiệu ứng Righi – leduc nh sau:

Khi chúng ta thiết lập một gradien nhiệt độ dọc theo trục x thì có một dòng năng lợng W→(WX, 0,0) chạy song song trục x, dòng năng lợng này gồm hai thành phần: một thành phần do giao động mạng gây nên, thành phần thứ hai do chuyển động của các hạt dẫn. Dòng hạt dẫn “nóng” và hạt

nãng

Lạnh B2

Nam ch©m Nãng

lạnh

dẫn “nguội” ngợc chiều khi chuyển động vuông góc với từ trờng, hạt dẫn

“nóng” và hạt dẫn “nguội” lệch về hai hớng khác nhau vuông góc với ph-

ơng chuyển động. Chính sự lệch hớng này dẫn đến hình thành Gradien nhiệt độ theo phơng vuông góc với gradien nhiệt độ ban đầu và đến lợt gradien nhiệt độ vuông góc này làm trung hoà dòng năng lợng theo phơng này. Kết quả là dòng năng lợng W→ vẫn song song trục x, W→ =(W0,0,0) nhng gradien nhiệt độ tổng hợp thì làm thanh rơi trục x một góc.

S B T

tg T RL

x z

RL =

∇

= ∇

ϕ (2.3.8).

Nghĩa là: ∇T = (∇xT,0,∇zT)

Ta nhận thấy SRL phụ thuộc dấu hạt dẫn và cơ chế tán xạ hạt dẫn.

Chơng III