Elektryczność i magnetyzm, podstawowe pojęcia, rodzaje poruszających się cząstek naładowanych

„Nauka o magnetyzmie”, podobnie jak większość innych dyscyplin, opiera się na bardzo nielicznych i raczej prostych koncepcjach. Są dość proste, przynajmniej jeśli chodzi o to, „czym są”, choć nieco trudniej jest wyjaśnić, „dlaczego są”. Raz zaakceptowane jako takie, mogą być wykorzystane jako podstawowe elementy budulcowe dla rozwoju całej dyscypliny naukowej. Jednocześnie służą jako wskazówki w próbach wyjaśnienia obserwowanych zjawisk.

Po pierwsze, istnieje coś takiego jak "elektron"… Elektrony nie tylko istnieją — są niezliczone wszędzie, gdzie spojrzymy.

Elektron jest obiektem o znikomej masie, który przenosi jednostkowy ujemny ładunek elektryczny i obraca się wokół własnej osi z pewną stałą prędkością. Jednym z przejawów ruchu elektronów są prądy elektryczne; innymi słowy, prądy elektryczne są „przenoszone” przez elektrony.

Po drugie, istnieje coś takiego jak "pole"które można wykorzystać do przesyłania energii przez to, co w przeciwnym razie jest pustą przestrzenią.W tym sensie istnieją trzy główne rodzaje pól — grawitacyjne, elektryczne i magnetyczne (zob. Różnice między polem elektrycznym i magnetycznym).

Po trzecie, według pomysłów Ampere'a każdy poruszający się elektron jest otoczony polem magnetycznym… Ponieważ tylko elektrony spinowe są elektronami w ruchu, wokół każdego elektronu ze spinem powstaje pole magnetyczne. W konsekwencji każdy elektron działa jak mikrominiatura trwały magnes.

Po czwarte, według koncepcji Lorentza pewna siła działa na ładunek elektryczny poruszający się w polu magnetycznym… Jest wynikiem interakcji pola zewnętrznego i pola Ampera.

Wreszcie materia zachowuje swoją integralność w przestrzeni dzięki siły przyciągania między cząstkami, których pole elektryczne jest generowane przez ich ładunek elektryczny, a pole magnetyczne — ich obrót.

Wszystkie zjawiska magnetyczne można wyjaśnić na podstawie ruchu cząstek, które mają zarówno masę, jak i ładunek elektryczny. Możliwe rodzaje takich cząstek obejmują:

elektrony

Elektron jest naładowaną elektrycznie cząstką o bardzo małych rozmiarach. Każdy elektron jest identyczny pod każdym względem z każdym innym elektronem.

1. Elektron ma ujemny ładunek jednostkowy i znikomą masę.

2. Masa wszystkich elektronów pozostaje zawsze stała, chociaż masa pozorna podlega zmianom w zależności od warunków środowiskowych.

3. Wszystkie elektrony wirują wokół własnej osi — mają spin z tą samą stałą prędkością kątową.

Dziury

1. Dziurę nazywa się pewną pozycją w sieci krystalicznej, w której mogłaby się znajdować, ale w tych warunkach nie ma elektronu. Zatem dziura ma dodatni ładunek jednostkowy i znikomą masę.

2.Ruch dziury powoduje ruch elektronu w przeciwnym kierunku. Dlatego dziura ma dokładnie taką samą masę i taki sam spin jak elektron poruszający się w przeciwnym kierunku.

protony

Proton jest cząstką, która jest znacznie większa od elektronu i ma ładunek elektryczny, który jest bezwzględnie równy ładunkowi elektronu, ale ma przeciwną biegunowość. Pojęcie przeciwnej biegunowości jest definiowane przez następujące przeciwstawne zjawiska: elektron i proton doświadczają siły przyciągania względem siebie, podczas gdy dwa elektrony lub dwa protony odpychają się.

Zgodnie z konwencją przyjętą w eksperymentach Benjamina Franklina, ładunek elektronu jest uważany za ujemny, a ładunek protonu za dodatni. Ponieważ wszystkie inne ciała naładowane elektrycznie przenoszą ładunki elektryczne, dodatnie lub ujemne, których wartości są zawsze dokładnymi wielokrotnościami ładunku elektronu, ten ostatni jest używany jako „wartość jednostkowa” przy opisywaniu tego zjawiska.

1. Proton to jon o dodatnim ładunku jednostkowym i jednostkowej masie cząsteczkowej.

2. Dodatni ładunek jednostkowy protonu absolutnie pokrywa się w wartości bezwzględnej z ujemnym ładunkiem jednostkowym elektronu, ale masa protonu jest wielokrotnie większa niż masa elektronu.

3. Wszystkie protony obracają się wokół własnej osi (mają spin) z tą samą prędkością kątową, która jest znacznie mniejsza niż prędkość kątowa obrotu elektronu.

Zobacz też: Budowa atomów — elementarne cząstki materii, elektrony, protony, neutrony

Jony dodatnie

1.Jony dodatnie mają różne ładunki, których wartości są całkowitą wielokrotnością ładunku protonu, oraz różne masy, których wartości składają się z całkowitej wielokrotności masy protonu i dodatkowej masy cząstek subatomowych.

2. Tylko jony o nieparzystej liczbie nukleonów mają spin.

3. Jony o różnych masach wirują z różnymi prędkościami kątowymi.

Jony ujemne

1. Istnieją odmiany jonów ujemnych, całkowicie analogicznych do jonów dodatnich, ale przenoszących ładunek ujemny, a nie dodatni.

Każda z tych cząstek, w dowolnej kombinacji, może poruszać się po różnych prostych lub zakrzywionych ścieżkach z różnymi prędkościami. Zbiór identycznych cząstek poruszających się mniej więcej jako grupa nazywa się wiązką.

Każda cząstka w wiązce ma masę, kierunek i prędkość ruchu zbliżoną do odpowiednich parametrów sąsiednich cząstek. Jednak w bardziej ogólnych warunkach prędkości poszczególnych cząstek w wiązce różnią się, zgodnie z prawem rozkładu Maxwella.

W tym przypadku dominującą rolę w pojawianiu się zjawisk magnetycznych odgrywają cząstki, których prędkość jest zbliżona do średniej prędkości wiązki, podczas gdy cząstki o innych prędkościach generują efekty drugiego rzędu.

Jeśli główną uwagę zwróci się na prędkość ruchu cząstek, wówczas cząstki poruszające się z dużą prędkością nazywane są gorącymi, a cząstki poruszające się z małą prędkością nazywane są zimnymi. Definicje te są względne, to znaczy nie odzwierciedlają żadnych prędkości bezwzględnych.

Podstawowe prawa i definicje

Istnieją dwie różne definicje pola magnetycznego: pole magnetyczne — Jest to obszar w pobliżu poruszających się ładunków elektrycznych, w którym działają siły magnetyczne.Każdy obszar, w którym poruszające się ciało naładowane elektrycznie działa siłą, zawiera pole magnetyczne.

Cząstka naładowana elektrycznie jest otoczona pole elektryczne… Poruszająca się naładowana elektrycznie cząstka ma pole magnetyczne wraz z polem elektrycznym. Prawo Ampera określa związek między poruszającymi się ładunkami a polami magnetycznymi (patrz — Prawo Ampere'a).

Jeśli wiele małych, naładowanych elektrycznie cząstek przechodzi w sposób ciągły przez tę samą część trajektorii ze stałą prędkością, to całkowity efekt poszczególnych poruszających się pól magnetycznych każdej cząstki sprowadza się do powstania stałego pola magnetycznego znanego jako pola Bio Savary.

Szczególny przypadek Prawo Ampere'a, zwane prawem Bio-Savarda, określa wielkość natężenia pola magnetycznego w danej odległości od nieskończenie długiego prostego drutu, przez który przepływa prąd elektryczny (Prawo Biota-Savarda).

Tak więc pole magnetyczne ma pewną siłę.Im większy poruszający się ładunek elektryczny, tym silniejsze powstałe pole magnetyczne. Ponadto im szybciej porusza się ładunek elektryczny, tym silniejsze jest pole magnetyczne.

Stacjonarny ładunek elektryczny nie wytwarza żadnego pola magnetycznego. W rzeczywistości pole magnetyczne nie może istnieć niezależnie od obecności poruszającego się ładunku elektrycznego.

Prawo Lorentza określa siłę działającą na poruszającą się naładowaną elektrycznie cząstkę w polu magnetycznym. Siła Lorentza skierowane prostopadle zarówno do kierunku pola zewnętrznego, jak i do kierunku ruchu cząstki. Istnieje „siła poprzeczna” działająca na naładowane cząstki, gdy poruszają się one pod kątem prostym do linii pola magnetycznego.

Ciało „naładowane magnetycznie” w zewnętrznym polu magnetycznym doświadcza siły, która ma tendencję do przesuwania ciała z pozycji, w której wzmacnia pole zewnętrzne, do pozycji, w której pole zewnętrzne słabnie. Jest to przejaw następującej zasady: wszystkie układy zmierzają do osiągnięcia stanu charakteryzującego się minimalną energią.

Reguła Lenza stwierdza: „Jeśli trajektoria poruszającej się naładowanej cząstki zmieni się w jakikolwiek sposób w wyniku oddziaływania cząstki z polem magnetycznym, wówczas zmiany te prowadzą do pojawienia się nowego pola magnetycznego dokładnie przeciwnego do pola magnetycznego, które spowodowało te zmiany. «

Zdolność elektromagnesu do wytworzenia „przepływającego” strumienia magnetycznego przez obwód magnetyczny zależy zarówno od liczby zwojów drutu, jak i od przepływającego przez nie prądu. Oba czynniki prowadzą do wystąpienia siła magnetomotoryczna lub w skrócie MDS… Magnesy trwałe mogą wytwarzać podobną siłę magnetomotoryczną.

Siła magnetomotoryczna powoduje przepływ strumienia magnetycznego w obwodzie magnetycznym w taki sam sposób jak siła elektromotoryczna (EMF) zapewnia przepływ prądu elektrycznego w obwodzie elektrycznym.

Obwody magnetyczne są w pewnym sensie analogiczne do obwodów elektrycznych, chociaż w obwodach elektrycznych występuje rzeczywisty ruch naładowanych cząstek, podczas gdy w obwodach magnetycznych takiego ruchu nie ma. Opisano działanie siły elektromotorycznej, która generuje prąd elektryczny Prawo Ohma.

Siła pola magnetycznego Jest siłą magnetomotoryczną na jednostkę długości odpowiedniego obwodu magnetycznego. Indukcja magnetyczna lub gęstość strumienia jest równa strumieniowi magnetycznemu przechodzącemu przez jednostkową powierzchnię danego obwodu magnetycznego.

Niechęć Jest cechą pewnego obwodu magnetycznego, która określa jego zdolność do przewodzenia strumienia magnetycznego w odpowiedzi na działanie siły magnetomotorycznej.

Opór elektryczny w omach jest wprost proporcjonalny do długości drogi przepływu elektronów, odwrotnie proporcjonalny do pola przekroju poprzecznego tego przepływu, a także odwrotnie proporcjonalny do przewodności elektrycznej, która jest cechą opisującą właściwości elektryczne substancji, która tworzy obszar przestrzeni, w którym płynie prąd.

Rezystancja magnetyczna jest wprost proporcjonalna do długości ścieżki strumienia magnetycznego, odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego tego strumienia, a także odwrotnie proporcjonalna do przenikalności magnetycznej, cechy opisującej właściwości magnetyczne substancji z którego składa się przestrzeń przenosząca strumień magnetyczny (patrz — Prawo Ohma dla obwodu magnetycznego).

Przepuszczalność magnetyczna Właściwość substancji, która wyraża jej zdolność do utrzymywania określonej gęstości strumienia magnetycznego (zob. Przepuszczalność magnetyczna).

Więcej na ten temat: Pole elektromagnetyczne - historia odkryć i właściwości fizyczne