Elektricitet och magnetism, grundläggande definitioner, typer av rörliga laddade partiklar

"Vetenskapen om magnetism", liksom de flesta andra discipliner, bygger på väldigt få och ganska enkla begrepp. De är ganska enkla, åtminstone vad gäller "vad de är", även om det är lite svårare att förklara "varför de är". När de väl har accepterats som sådana kan de användas som grundläggande byggstenar för utvecklingen av en hel studiedisciplin. Samtidigt fungerar de som riktlinjer i försök att förklara observerade fenomen.

För det första finns det något sådant som "elektron"… Elektroner finns inte bara – de finns otaliga överallt vi tittar.

Elektron är ett föremål med försumbar massa som bär en enhets negativ elektrisk laddning och roterar runt sin axel med en viss konstant hastighet. En av manifestationerna av elektronernas rörelse är elektriska strömmar; med andra ord, elektriska strömmar "bärs" av elektroner.

För det andra finns det något sådant som "fält"som kan användas för att överföra energi genom det som annars är tomt utrymme.I denna mening finns det tre huvudtyper av fält - gravitationsfält, elektriska och magnetiska (se - Skillnader mellan elektriska och magnetiska fält).

För det tredje, enligt Amperes idéer varje rörlig elektron är omgiven av ett magnetfält… Eftersom endast spinnelektroner är elektroner i rörelse skapas ett magnetfält runt varje elektron med spin. Följaktligen fungerar varje elektron som en mikrominiatyr permanentmagnet.

För det fjärde, enligt Lorentz idéer en viss kraft verkar på en elektrisk laddning som rör sig i ett magnetfält… Det är resultatet av samspelet mellan det yttre fältet och Amperes fält.

Äntligen behåller materien sin integritet i rymden tack vare attraktionskrafter mellan partiklar, vars elektriska fält genereras av deras elektriska laddning, och magnetfältet — deras rotation.

Alla magnetiska fenomen kan förklaras utifrån rörelsen hos partiklar som har både massa och elektrisk laddning. Möjliga typer av sådana partiklar inkluderar följande:

Elektroner

En elektron är en elektriskt laddad partikel av mycket liten storlek. Varje elektron är identisk i alla avseenden med alla andra elektroner.

1. En elektron har en negativ enhetsladdning och försumbar massa.

2. Massan av alla elektroner förblir alltid konstant, även om den skenbara massan är föremål för förändringar beroende på miljöförhållanden.

3. Alla elektroner snurrar runt sin egen axel — har ett spinn med samma konstanta vinkelhastighet.

Hål

1. Ett hål kallas en viss position i kristallgittret, där det skulle kunna vara, men under dessa förhållanden finns det ingen elektron. Således har hålet en positiv enhetsladdning och försumbar massa.

2.Hålets rörelse gör att elektronen rör sig i motsatt riktning. Därför har ett hål exakt samma massa och samma spinn som en elektron som rör sig i motsatt riktning.

Protoner

En proton är en partikel som är mycket större än en elektron och har en elektrisk laddning som är absolut lika med laddningen av en elektron, men har motsatt polaritet. Begreppet motsatt polaritet definieras av följande motsatta fenomen: en elektron och en proton upplever en attraktionskraft mot varandra, medan två elektroner eller två protoner stöter bort varandra.

I enlighet med den konvention som antagits i Benjamin Franklins experiment anses elektronens laddning vara negativ och protonens laddning är positiv. Eftersom alla andra elektriskt laddade kroppar bär elektriska laddningar, positiva eller negativa, vars värden alltid är exakta multiplar av elektronladdningen, används den senare som "enhetsvärde" när man beskriver detta fenomen.

1. En proton är en jon med en positiv enhetsladdning och en enhetsmolekylvikt.

2. Protonens positiva enhetsladdning sammanfaller absolut i absolut värde med elektronens negativa enhetsladdning, men protonens massa är många gånger större än elektronens massa.

3. Alla protoner roterar runt sin egen axel (har spinn) med samma vinkelhastighet, vilket är mycket mindre än elektronrotationens vinkelhastighet.

Se även: Atomernas struktur — elementära partiklar av materia, elektroner, protoner, neutroner

Positiva joner

1.Positiva joner har olika laddningar vars värden är en heltalsmultipel av protonens laddning, och olika massor vars värden består av en heltalsmultipel av protonens massa och ytterligare en massa subatomära partiklar.

2. Endast joner med ett udda antal nukleoner har spin.

3. Joner med olika massor roterar med olika vinkelhastigheter.

Negativa joner

1. Det finns sorter av negativa joner, helt analoga med positiva joner, men som har en negativ snarare än en positiv laddning.

Var och en av dessa partiklar, i vilken kombination som helst, kan röra sig längs olika raka eller krökta banor med olika hastigheter. En samling identiska partiklar som rör sig mer eller mindre som en grupp kallas en stråle.

Varje partikel i strålen har en massa, riktning och rörelsehastighet nära motsvarande parametrar för närliggande partiklar. Under mer allmänna förhållanden skiljer sig dock hastigheterna för de enskilda partiklarna i strålen, i enlighet med Maxwells fördelningslag.

I det här fallet spelas den dominerande rollen i uppkomsten av magnetiska fenomen av partiklar vars hastighet är nära strålens medelhastighet, medan partiklar med andra hastigheter genererar andra ordningens effekter.

Om den huvudsakliga uppmärksamheten ägnas åt partiklarnas rörelsehastighet, kallas partiklarna som rör sig med hög hastighet heta, och partiklarna som rör sig med låg hastighet kallas kalla. Dessa definitioner är relativa, det vill säga de reflekterar inte några absoluta hastigheter.

Grundläggande lagar och definitioner

Det finns två olika definitioner av magnetfält: magnetiskt fält — Det här är ett område nära rörliga elektriska laddningar där magnetiska krafter utövas.Varje region där en elektriskt laddad kropp upplever en kraft när den rör sig innehåller ett magnetfält.

En elektriskt laddad partikel är omgiven elektriskt fält… En elektriskt laddad partikel i rörelse har ett magnetfält tillsammans med ett elektriskt. Amperes lag fastställer förhållandet mellan rörliga laddningar och magnetiska fält (se — Amperes lag).

Om många små elektriskt laddade partiklar kontinuerligt passerar genom samma del av banan med konstant hastighet, uppgår den totala effekten av individuella rörliga magnetfält för varje partikel till bildandet av ett permanent magnetfält, känt som fält av Bio Savara.

Specialfall Amperes lag, kallad Bio-Savards lag, bestämmer storleken på magnetfältstyrkan på ett givet avstånd från en oändligt lång rak tråd genom vilken en elektrisk ström flyter (Biot-Savards lag).

Så magnetfältet har en viss styrka. Ju större elektrisk laddning som rör sig, desto starkare blir det magnetiska fältet. Ju snabbare den elektriska laddningen rör sig, desto starkare är magnetfältet.

En stationär elektrisk laddning genererar inget magnetfält. Faktum är att ett magnetfält inte kan existera oberoende av närvaron av en rörlig elektrisk laddning.

Lorentz lag definierar kraften som verkar på en rörlig elektriskt laddad partikel i ett magnetfält. Lorentz kraft riktad vinkelrätt mot både det yttre fältets riktning och partikelns rörelseriktning. Det finns en "lateral kraft" som verkar på laddade partiklar när de rör sig i rät vinkel mot magnetfältslinjerna.

En "magnetiskt laddad" kropp i ett externt magnetfält upplever en kraft som tenderar att flytta kroppen från en position där den förstärker det yttre fältet till en position där det yttre fältet skulle försvagas. Detta är manifestationen av följande princip: alla system tenderar att nå ett tillstånd som kännetecknas av minimal energi.

Lenz regel säger: "Om banan för en rörlig laddad partikel förändras på något sätt som ett resultat av partikelns växelverkan med ett magnetfält, så leder dessa förändringar till uppkomsten av ett nytt magnetfält precis motsatt det magnetiska fältet som orsakade dessa förändringar. «

Förmågan hos en solenoid att skapa ett "flödande" magnetiskt flöde genom en magnetisk krets beror på både antalet varv av tråden och strömmen som flyter genom dem. Båda faktorerna leder till förekomsten magnetomotorisk kraft eller MDS för kort… Permanenta magneter kan skapa en liknande magnetomotorisk kraft.

Den magnetomotoriska kraften gör att det magnetiska flödet flyter i magnetkretsen på samma sätt som elektromotorisk kraft (EMF) säkerställer flödet av elektrisk ström i en elektrisk krets.

Magnetiska kretsar är på vissa sätt analoga med elektriska kretsar, även om det i elektriska kretsar finns faktisk rörelse av laddade partiklar, medan det i magnetiska kretsar inte finns någon sådan rörelse. Verkan av den elektromotoriska kraften som genererar en elektrisk ström beskrivs Ohms lag.

Magnetisk fältstyrka Är den magnetomotoriska kraften per längdenhet för motsvarande magnetkrets. Magnetisk induktion eller flödestäthet är lika med det magnetiska flödet som passerar genom en enhetsarea av en given magnetisk krets.

Motvillighet Är en egenskap hos en viss magnetisk krets som bestämmer dess förmåga att leda magnetiskt flöde som svar på verkan av en magnetomotorisk kraft.

Det elektriska motståndet i ohm är direkt proportionellt mot längden på elektronflödets väg, omvänt proportionell mot tvärsnittsarean för detta flöde, och även omvänt proportionell mot den elektriska ledningsförmågan, en egenskap som beskriver de elektriska egenskaperna av det ämne som utgör det strömförande området i rymden.

Magnetisk resistans är direkt proportionell mot längden på det magnetiska flödets väg, omvänt proportionell mot tvärsnittsarean av detta flöde, och även omvänt proportionell mot den magnetiska permeabiliteten, en egenskap som beskriver de magnetiska egenskaperna hos ämnet i som utrymmet som bär det magnetiska flödet är sammansatt. (se — Ohms lag för en magnetisk krets).

Magnetisk permeabilitet En egenskap hos ett ämne som uttrycker dess förmåga att upprätthålla en viss magnetisk flödestäthet (se — Magnetisk permeabilitet).

Mer om detta ämne: Elektromagnetiskt fält - upptäcktshistoria och fysikaliska egenskaper