Electricitate și magnetism, definiții de bază, tipuri de particule încărcate în mișcare

„Știința magnetismului”, ca majoritatea celorlalte discipline, se bazează pe foarte puține și destul de simple concepte. Sunt destul de simple, cel puțin în ceea ce privește „ce sunt”, deși este puțin mai greu de explicat „de ce sunt”. Odată acceptate ca atare, ele pot fi folosite ca blocuri de bază pentru dezvoltarea unei întregi discipline de studiu. În același timp, ele servesc drept ghid în încercările de a explica fenomenele observate.

În primul rând, există așa ceva ca "electron"… Electronii nu doar există – sunt nenumărate oriunde ne uităm.

Electron este un obiect de masă neglijabilă care poartă o unitate de sarcină electrică negativă și se rotește în jurul axei sale cu o anumită viteză constantă. Una dintre manifestările mișcării electronilor sunt curenții electrici; cu alte cuvinte, curenții electrici sunt „transportați” de electroni.

În al doilea rând, există așa ceva ca "camp"care poate fi folosit pentru a transmite energie prin ceea ce altfel este spațiu gol.În acest sens, există trei tipuri principale de câmpuri - gravitațional, electric și magnetic (vezi - Diferențele dintre câmpul electric și magnetic).

În al treilea rând, conform ideilor lui Ampere fiecare electron în mișcare este înconjurat de un câmp magnetic… Deoarece numai electronii de spin sunt electroni în mișcare, se creează un câmp magnetic în jurul fiecărui electron cu spin. În consecință, fiecare electron acționează ca o microminiatură magnet permanent.

În al patrulea rând, conform ideilor lui Lorentz asupra unei sarcini electrice care se deplasează într-un câmp magnetic acţionează o anumită forţă… Este rezultatul interacțiunii câmpului extern și câmpului lui Ampere.

În cele din urmă, materia își păstrează integritatea în spațiu datorită forțe de atracție între particule, al căror câmp electric este generat de sarcina lor electrică, iar câmpul magnetic - rotația lor.

Toate fenomenele magnetice pot fi explicate pe baza mișcării particulelor care au atât masă, cât și sarcină electrică. Tipurile posibile de astfel de particule includ următoarele:

Electronii

Un electron este o particulă încărcată electric de dimensiuni foarte mici. Fiecare electron este identic din toate punctele de vedere cu orice alt electron.

1. Un electron are o sarcină unitară negativă și o masă neglijabilă.

2. Masa tuturor electronilor rămâne întotdeauna constantă, deși masa aparentă este supusă modificărilor în funcție de condițiile de mediu.

3. Toți electronii se rotesc în jurul propriei axe — au un spin cu aceeași viteză unghiulară constantă.

Găuri

1. O gaură se numește o anumită poziție în rețeaua cristalină, unde ar putea fi, dar în aceste condiții nu există electron. Astfel, gaura are o sarcină unitară pozitivă și o masă neglijabilă.

2.Mișcarea găurii face ca electronul să se miște în direcția opusă. Prin urmare, o gaură are exact aceeași masă și același spin ca un electron care se mișcă în direcția opusă.

Protoni

Un proton este o particulă care este mult mai mare decât un electron și are o sarcină electrică care este absolut egală în valoare absolută cu sarcina unui electron, dar are polaritatea opusă. Conceptul de polaritate opusă este definit de următoarele fenomene opuse: un electron și un proton experimentează o forță atractivă unul față de celălalt, în timp ce doi electroni sau doi protoni se resping reciproc.

În conformitate cu convenția adoptată în experimentele lui Benjamin Franklin, sarcina electronului este considerată negativă, iar sarcina protonului este pozitivă. Deoarece toate celelalte corpuri încărcate electric poartă sarcini electrice, pozitive sau negative, ale căror valori sunt întotdeauna multipli exacti ai sarcinii electronului, aceasta din urmă este folosită ca „valoare unitară” atunci când descrie acest fenomen.

1. Un proton este un ion cu o unitate de sarcină pozitivă și o unitate de greutate moleculară.

2. Sarcina unitară pozitivă a protonului coincide absolut în valoare absolută cu sarcina unitară negativă a electronului, dar masa protonului este de multe ori mai mare decât masa electronului.

3. Toți protonii se rotesc în jurul propriei axe (au spin) cu aceeași viteză unghiulară, care este mult mai mică decât viteza unghiulară de rotație a electronilor.

Vezi si: Structura atomilor - particule elementare de materie, electroni, protoni, neutroni

Ioni pozitivi

1.Ionii pozitivi au sarcini diferite ale căror valori sunt un multiplu întreg al sarcinii protonului și mase diferite ale căror valori constau dintr-un multiplu întreg al masei protonului și o masă suplimentară de particule subatomice.

2. Numai ionii cu un număr impar de nucleoni au spin.

3. Ionii de mase diferite se rotesc cu viteze unghiulare diferite.

Ioni negativi

1. Există varietăți de ioni negativi, complet analogi cu ionii pozitivi, dar purtând o sarcină negativă mai degrabă decât pozitivă.

Fiecare dintre aceste particule, în orice combinație, se poate deplasa pe diferite căi drepte sau curbe la viteze diferite. O colecție de particule identice care se mișcă mai mult sau mai puțin ca un grup se numește fascicul.

Fiecare particulă din fascicul are o masă, direcție și viteză de mișcare apropiate de parametrii corespunzători ai particulelor învecinate. Cu toate acestea, în condiții mai generale, vitezele particulelor individuale din fascicul diferă, respectând legea distribuției lui Maxwell.

În acest caz, rolul dominant în apariția fenomenelor magnetice îl au particulele a căror viteză este apropiată de viteza medie a fasciculului, în timp ce particulele cu alte viteze generează efecte de ordinul doi.

Dacă se acordă atenție principală vitezei de mișcare a particulelor, atunci particulele care se mișcă cu viteză mare se numesc calde, iar particulele care se mișcă cu viteză mică sunt numite reci. Aceste definiții sunt relative, adică nu reflectă nicio viteză absolută.

Legi de bază și definiții

Există două definiții diferite ale câmpului magnetic: camp magnetic — Aceasta este o zonă în apropierea sarcinilor electrice în mișcare, unde se exercită forțe magnetice.Orice regiune în care un corp încărcat electric experimentează o forță în timp ce se mișcă conține un câmp magnetic.

O particulă încărcată electric este înconjurată câmp electric… O particulă încărcată electric în mișcare are un câmp magnetic împreună cu unul electric. Legea lui Ampere stabilește relația dintre sarcinile în mișcare și câmpurile magnetice (vezi - Legea lui Ampere).

Dacă multe particule mici încărcate electric trec continuu prin aceeași parte a traiectoriei cu o viteză constantă, atunci efectul total al câmpurilor magnetice în mișcare individuale ale fiecărei particule se ridică la formarea unui câmp magnetic permanent cunoscut sub numele de câmpuri din Bio Savara.

Caz special Legea lui Ampere, numită legea lui Bio-Savard, determină mărimea intensității câmpului magnetic la o distanță dată de un fir drept infinit de lung prin care curge un curent electric (legea lui Biot-Savard).

Deci câmpul magnetic are o anumită putere.Cu cât sarcina electrică în mișcare este mai mare, cu atât câmpul magnetic rezultat este mai puternic. De asemenea, cu cât sarcina electrică se mișcă mai repede, cu atât câmpul magnetic este mai puternic.

O sarcină electrică staționară nu generează niciun câmp magnetic. De fapt, un câmp magnetic nu poate exista independent de prezența unei sarcini electrice în mișcare.

Legea lui Lorentz definește forța care acționează asupra unei particule încărcate electric în mișcare într-un câmp magnetic. forța Lorentz direcționat perpendicular atât pe direcția câmpului extern, cât și pe direcția de mișcare a particulei. Există o „forță laterală” care acționează asupra particulelor încărcate atunci când acestea se mișcă în unghi drept față de liniile câmpului magnetic.

Un corp „încărcat magnetic” într-un câmp magnetic extern experimentează o forță care tinde să miște corpul dintr-o poziție în care întărește câmpul extern într-o poziție în care câmpul extern s-ar slăbi. Aceasta este manifestarea următorului principiu: toate sistemele tind să atingă o stare caracterizată de energie minimă.

regula lui Lenz afirmă: „Dacă traiectoria unei particule încărcate în mișcare se modifică în vreun fel ca urmare a interacțiunii particulei cu un câmp magnetic, atunci aceste modificări duc la apariția unui nou câmp magnetic exact opus câmpului magnetic care a provocat aceste modificări. «

Capacitatea unui solenoid de a crea un flux magnetic „curgător” printr-un circuit magnetic depinde atât de numărul de spire ale firului, cât și de curentul care curge prin ele. Ambii factori duc la apariție forța magnetomotoare sau MDS pe scurt… Magneții permanenți pot crea o forță magnetomotoare similară.

Forța magnetomotoare face ca fluxul magnetic să curgă în circuitul magnetic în același mod ca forță electromotoare (EMF) asigură fluxul de curent electric într-un circuit electric.

Circuitele magnetice sunt în anumite privințe analoge cu circuitele electrice, deși în circuitele electrice există mișcare reală a particulelor încărcate, în timp ce în circuitele magnetice nu există o astfel de mișcare. Este descrisă acțiunea forței electromotoare care generează un curent electric Legea lui Ohm.

Intensitatea câmpului magnetic Este forța magnetomotoare pe unitatea de lungime a circuitului magnetic corespunzător. Inducția magnetică sau densitatea fluxului este egală cu fluxul magnetic care trece printr-o unitate de suprafață a unui circuit magnetic dat.

Reticenta Este o caracteristică a unui anumit circuit magnetic care determină capacitatea acestuia de a conduce fluxul magnetic ca răspuns la acțiunea unei forțe magnetomotoare.

Rezistența electrică în ohmi este direct proporțională cu lungimea traseului fluxului de electroni, invers proporțională cu aria secțiunii transversale a acestui flux și, de asemenea, invers proporțională cu conductivitatea electrică, o caracteristică care descrie proprietățile electrice. a substanței care alcătuiește regiunea spațiului purtătoare de curent.

Rezistența magnetică este direct proporțională cu lungimea traseului fluxului magnetic, invers proporțională cu aria secțiunii transversale a acestui flux și, de asemenea, invers proporțională cu permeabilitatea magnetică, o caracteristică care descrie proprietățile magnetice ale substanței. din care este compus spațiul care poartă fluxul magnetic.(vezi — Legea lui Ohm pentru un circuit magnetic).

Permeabilitatea magnetică O caracteristică a unei substanțe care își exprimă capacitatea de a menține o anumită densitate a fluxului magnetic (vezi - Permeabilitatea magnetică).

Mai multe despre acest subiect: Câmp electromagnetic - istoria descoperirii și proprietăți fizice