Elektricitet og magnetisme, grundlæggende definitioner, typer af bevægelige ladede partikler

"Videnskaben om magnetisme" er som de fleste andre discipliner baseret på meget få og ret simple begreber. De er ret simple, i hvert fald i forhold til "hvad de er", selvom det er lidt sværere at forklare "hvorfor de er". Når de er accepteret som sådanne, kan de bruges som grundlæggende byggesten til udviklingen af ​​en hel studiedisciplin. Samtidig fungerer de som retningslinjer i forsøg på at forklare observerede fænomener.

For det første er der sådan noget som "elektron"… Elektroner eksisterer ikke bare – de er utallige overalt, hvor vi ser hen.

Elektron er et objekt med ubetydelig masse, der bærer en enheds negativ elektrisk ladning og roterer om sin akse med en bestemt konstant hastighed. En af manifestationerne af elektronernes bevægelse er elektriske strømme; med andre ord, elektriske strømme "båret" af elektroner.

For det andet er der sådan noget som "Mark"som kan bruges til at overføre energi gennem det ellers tomme rum.I denne forstand er der tre hovedtyper af felter - gravitationel, elektrisk og magnetisk (se - Forskelle mellem elektriske og magnetiske felter).

For det tredje ifølge Amperes ideer hver elektron i bevægelse er omgivet af et magnetfelt… Da kun spinelektroner er elektroner i bevægelse, skabes et magnetfelt omkring hver elektron med spin. Følgelig fungerer hver elektron som en mikrominiature permanent magnet.

For det fjerde ifølge Lorentz' ideer en vis kraft virker på en elektrisk ladning, der bevæger sig i et magnetfelt… Det er resultatet af samspillet mellem det ydre felt og Amperes felt.

Endelig bevarer materien sin integritet i rummet takket være tiltrækkende kræfter mellem partikler, hvis elektriske felt genereres af deres elektriske ladning, og magnetfeltet — deres rotation.

Alle magnetiske fænomener kan forklares ud fra bevægelsen af ​​partikler, der har både masse og elektrisk ladning. Mulige typer af sådanne partikler omfatter følgende:

Elektroner

En elektron er en elektrisk ladet partikel af meget lille størrelse. Hver elektron er identisk i enhver henseende med hver anden elektron.

1. En elektron har en negativ enhedsladning og ubetydelig masse.

2. Massen af ​​alle elektroner forbliver altid konstant, selvom den tilsyneladende masse er genstand for ændringer afhængigt af miljøforhold.

3. Alle elektroner drejer om deres egen akse - har et spin med samme konstante vinkelhastighed.

Huller

1. Et hul kaldes en bestemt position i krystalgitteret, hvor det kunne være, men under disse forhold er der ingen elektron. Hullet har således en positiv enhedsladning og ubetydelig masse.

2.Hullets bevægelse får elektronen til at bevæge sig i den modsatte retning. Derfor har et hul nøjagtig samme masse og samme spin som en elektron, der bevæger sig i den modsatte retning.

Protoner

En proton er en partikel, der er meget større end en elektron og har en elektrisk ladning, der i absolut værdi er absolut lig med ladningen af ​​en elektron, men har den modsatte polaritet. Begrebet modsat polaritet er defineret af følgende modsatte fænomener: en elektron og en proton oplever en tiltrækningskraft mod hinanden, mens to elektroner eller to protoner frastøder hinanden.

I overensstemmelse med den konvention, der blev vedtaget i Benjamin Franklins eksperimenter, anses elektronens ladning for negativ, og ladningen af ​​protonen er positiv. Da alle andre elektrisk ladede legemer bærer elektriske ladninger, positive eller negative, hvis værdier altid er nøjagtige multipla af elektronladningen, bruges sidstnævnte som "enhedsværdien", når dette fænomen beskrives.

1. En proton er en ion med en positiv enhedsladning og en enhedsmolekylvægt.

2. Protonens positive enhedsladning falder absolut i absolut værdi sammen med elektronens negative enhedsladning, men protonens masse er mange gange større end elektronens masse.

3. Alle protoner roterer rundt om deres egen akse (har spin) med samme vinkelhastighed, som er meget mindre end elektronrotationens vinkelhastighed.

Se også: Atomernes struktur - elementære partikler af stof, elektroner, protoner, neutroner

Positive ioner

1.Positive ioner har forskellige ladninger, hvis værdier er et heltals multiplum af protonens ladning, og forskellige masser, hvis værdier består af et heltal af protonens masse og en ekstra masse af subatomære partikler.

2. Kun ioner med et ulige antal nukleoner har spin.

3. Ioner af forskellig masse roterer med forskellige vinkelhastigheder.

Negative ioner

1. Der er varianter af negative ioner, fuldstændig analoge med positive ioner, men med en negativ snarere end en positiv ladning.

Hver af disse partikler, i enhver kombination, kan bevæge sig langs forskellige lige eller buede stier ved forskellige hastigheder. En samling af identiske partikler, der bevæger sig mere eller mindre som en gruppe, kaldes en stråle.

Hver partikel i strålen har en masse, retning og bevægelseshastighed tæt på de tilsvarende parametre for nabopartikler. Under mere generelle forhold er hastighederne af de enkelte partikler i strålen dog forskellige, idet de overholder Maxwells fordelingslov.

I dette tilfælde spilles den dominerende rolle i udseendet af magnetiske fænomener af partikler, hvis hastighed er tæt på strålens gennemsnitlige hastighed, mens partikler med andre hastigheder genererer andenordens effekter.

Hvis hovedopmærksomheden er rettet mod partiklernes bevægelseshastighed, kaldes partiklerne, der bevæger sig med høj hastighed, varme, og partiklerne, der bevæger sig med lav hastighed, kaldes kolde. Disse definitioner er relative, det vil sige, at de ikke afspejler nogen absolutte hastigheder.

Grundlæggende love og definitioner

Der er to forskellige definitioner af magnetfelt: magnetfelt — Dette er et område nær bevægelige elektriske ladninger, hvor magnetiske kræfter udøves.Ethvert område, hvor et elektrisk ladet legeme oplever en kraft, når det bevæger sig, indeholder et magnetfelt.

En elektrisk ladet partikel er omgivet elektrisk felt… En elektrisk ladet partikel i bevægelse har et magnetfelt sammen med et elektrisk. Amperes lov etablerer forholdet mellem bevægelige ladninger og magnetiske felter (se — Amperes lov).

Hvis mange små elektrisk ladede partikler kontinuerligt passerer gennem den samme del af banen med en konstant hastighed, så svarer den samlede effekt af individuelle bevægelige magnetfelter for hver partikel til dannelsen af ​​et permanent magnetfelt kendt som områder af Bio Savara.

Særlig situation Amperes lov, kaldet Bio-Savards lov, bestemmer størrelsen af ​​den magnetiske feltstyrke i en given afstand fra en uendelig lang lige ledning, gennem hvilken en elektrisk strøm løber (Biot-Savards lov).

Så magnetfeltet har en vis styrke: Jo større elektrisk ladning der bevæger sig, jo stærkere bliver magnetfeltet. Jo hurtigere den elektriske ladning bevæger sig, jo stærkere er magnetfeltet.

En stationær elektrisk ladning genererer ikke noget magnetfelt. Faktisk kan et magnetfelt ikke eksistere uafhængigt af tilstedeværelsen af ​​en elektrisk ladning i bevægelse.

Lorentz' lov definerer kraften, der virker på en elektrisk ladet partikel i bevægelse i et magnetfelt. Lorentz kraft rettet vinkelret på både retningen af ​​det ydre felt og partiklens bevægelsesretning. Der er en "lateral kraft", der virker på ladede partikler, når de bevæger sig vinkelret på de magnetiske feltlinjer.

Et "magnetisk ladet" legeme i et eksternt magnetfelt oplever en kraft, der har tendens til at flytte kroppen fra en position, hvor den styrker det ydre felt til en position, hvor det eksterne felt ville svækkes. Dette er manifestationen af ​​følgende princip: alle systemer har en tendens til at nå en tilstand karakteriseret ved minimal energi.

Lenz' regel udtaler: "Hvis banen for en ladet partikel i bevægelse ændrer sig på nogen måde som følge af partiklens vekselvirkning med et magnetfelt, så fører disse ændringer til fremkomsten af ​​et nyt magnetfelt nøjagtigt modsat det magnetiske felt, der forårsagede disse ændringer. «

En solenoides evne til at skabe en "flydende" magnetisk flux gennem et magnetisk kredsløb afhænger både af antallet af omdrejninger af ledningen og strømmen, der strømmer gennem dem. Begge faktorer fører til forekomsten magnetomotiv kraft eller MDS for kort… Permanente magneter kan skabe en lignende magnetomotorisk kraft.

Den magnetomotoriske kraft får den magnetiske flux til at flyde i det magnetiske kredsløb på samme måde som elektromotorisk kraft (EMF) sikrer strømmen af ​​elektrisk strøm i et elektrisk kredsløb.

Magnetiske kredsløb er på nogle måder analoge med elektriske kredsløb, selvom der i elektriske kredsløb er faktisk bevægelse af ladede partikler, mens der i magnetiske kredsløb ikke er en sådan bevægelse. Virkningen af ​​den elektromotoriske kraft, der genererer en elektrisk strøm, er beskrevet Ohms lov.

Magnetisk feltstyrke Er den magnetomotoriske kraft pr. længdeenhed af det tilsvarende magnetiske kredsløb. Magnetisk induktion eller fluxtæthed er lig med den magnetiske flux, der passerer gennem en enhedsareal af et givet magnetisk kredsløb.

Modvilje Er en karakteristik af et bestemt magnetisk kredsløb, der bestemmer dets evne til at lede magnetisk flux som reaktion på virkningen af ​​en magnetomotorisk kraft.

Den elektriske modstand i ohm er direkte proportional med længden af ​​strømmen af ​​elektroner, omvendt proportional med tværsnitsarealet af denne strøm, og også omvendt proportional med den elektriske ledningsevne, en karakteristik, der beskriver de elektriske egenskaber af det stof, der udgør det strømførende område i rummet.

Magnetisk modstand er direkte proportional med længden af ​​den magnetiske flux vej, omvendt proportional med tværsnitsarealet af denne flux, og også omvendt proportional med den magnetiske permeabilitet, en karakteristik, der beskriver de magnetiske egenskaber af stoffet af hvor rummet, der bærer den magnetiske flux, er sammensat. (se — Ohms lov for et magnetisk kredsløb).

Magnetisk permeabilitet Et kendetegn ved et stof, der udtrykker dets evne til at opretholde en vis magnetisk fluxtæthed (se - Magnetisk permeabilitet).

Mere om dette emne: Elektromagnetisk felt - opdagelseshistorie og fysiske egenskaber