Elektrina a magnetizmus, základné definície, typy pohybujúcich sa nabitých častíc

„Veda o magnetizme“, podobne ako väčšina ostatných disciplín, je založená na veľmi malom počte a pomerne jednoduchých konceptoch. Sú celkom jednoduché, aspoň čo sa týka toho „čo sú“, aj keď vysvetliť „prečo sú“ je o niečo ťažšie. Po prijatí ako také môžu byť použité ako základné stavebné kamene pre rozvoj celej študijnej disciplíny. Zároveň slúžia ako usmernenia pri pokusoch o vysvetlenie pozorovaných javov.

Po prvé, existuje niečo ako "elektrón"… Elektróny nielenže existujú – sú ich nespočetné množstvo všade, kam sa pozrieme.

Electron je predmet zanedbateľnej hmotnosti, ktorý nesie jednotkový záporný elektrický náboj a otáča sa okolo svojej osi určitou konštantnou rýchlosťou. Jedným z prejavov pohybu elektrónov sú elektrické prúdy; inými slovami, elektrické prúdy „nesú“ elektróny.

Po druhé, existuje niečo ako "lúka"ktoré možno použiť na prenos energie cez inak prázdny priestor.V tomto zmysle existujú tri hlavné typy polí — gravitačné, elektrické a magnetické (pozri — Rozdiely medzi elektrickým a magnetickým poľom).

Po tretie, podľa predstáv Ampere každý pohybujúci sa elektrón je obklopený magnetickým poľom... Keďže iba spinové elektróny sú elektróny v pohybe, okolo každého elektrónu so spinom sa vytvorí magnetické pole. V dôsledku toho každý elektrón pôsobí ako mikrominiatúra permanentný magnet.

Po štvrté, podľa Lorentzových predstáv na elektrický náboj pohybujúci sa v magnetickom poli pôsobí určitá sila… Je to výsledok interakcie vonkajšieho poľa a poľa Ampere.

Nakoniec si hmota zachová svoju celistvosť v priestore vďaka príťažlivé sily medzi časticami, ktorých elektrické pole je generované ich elektrickým nábojom a magnetické pole — ich rotáciu.

Všetky magnetické javy možno vysvetliť na základe pohybu častíc, ktoré majú hmotu aj elektrický náboj. Medzi možné typy takýchto častíc patria:

Elektróny

Elektrón je elektricky nabitá častica veľmi malej veľkosti. Každý elektrón je vo všetkých ohľadoch identický s každým iným elektrónom.

1. Elektrón má záporný jednotkový náboj a zanedbateľnú hmotnosť.

2. Hmotnosť všetkých elektrónov zostáva vždy konštantná, hoci zdanlivá hmotnosť podlieha zmenám v závislosti od podmienok prostredia.

3. Všetky elektróny sa točia okolo svojej vlastnej osi – majú rotáciu s rovnakou konštantnou uhlovou rýchlosťou.

Diery

1. Diera sa nazýva určitá poloha v kryštálovej mriežke, kde by mohla byť, ale za týchto podmienok tam nie je žiadny elektrón. Diera má teda kladný jednotkový náboj a zanedbateľnú hmotnosť.

2.Pohyb diery spôsobuje pohyb elektrónu v opačnom smere. Preto má diera presne rovnakú hmotnosť a rovnaký spin ako elektrón pohybujúci sa v opačnom smere.

Protóny

Protón je častica, ktorá je oveľa väčšia ako elektrón a má elektrický náboj, ktorý je v absolútnej hodnote úplne rovnaký ako náboj elektrónu, ale má opačnú polaritu. Koncept opačnej polarity je definovaný nasledujúcimi opačnými javmi: elektrón a protón pôsobia na seba príťažlivou silou, zatiaľ čo dva elektróny alebo dva protóny sa navzájom odpudzujú.

V súlade s konvenciou prijatou v experimentoch Benjamina Franklina sa náboj elektrónu považuje za negatívny a náboj protónu je kladný. Pretože všetky ostatné elektricky nabité telesá nesú elektrické náboje, kladné alebo záporné, ktorých hodnoty sú vždy presnými násobkami elektrónového náboja, pri popise tohto javu sa tento používa ako „jednotková hodnota“.

1. Protón je ión s kladným jednotkovým nábojom a jednotkovou molekulovou hmotnosťou.

2. Kladný jednotkový náboj protónu sa absolútne zhoduje v absolútnej hodnote so záporným jednotkovým nábojom elektrónu, ale hmotnosť protónu je mnohonásobne väčšia ako hmotnosť elektrónu.

3. Všetky protóny rotujú okolo svojej vlastnej osi (majú spin) s rovnakou uhlovou rýchlosťou, ktorá je oveľa menšia ako uhlová rýchlosť rotácie elektrónov.

Pozri tiež: Štruktúra atómov — elementárne častice hmoty, elektróny, protóny, neutróny

Pozitívne ióny

1.Kladné ióny majú rôzne náboje, ktorých hodnoty sú celočíselným násobkom protónového náboja, a rôzne hmotnosti, ktorých hodnoty pozostávajú z celého násobku hmotnosti protónu a určitej ďalšej hmotnosti subatomárnych častíc.

2. Len ióny s nepárnym počtom nukleónov majú spin.

3. Ióny rôznej hmotnosti rotujú rôznymi uhlovými rýchlosťami.

Záporné ióny

1. Existujú rôzne druhy záporných iónov, ktoré sú úplne analogické s kladnými iónmi, ale nesú skôr záporný ako kladný náboj.

Každá z týchto častíc, v akejkoľvek kombinácii, sa môže pohybovať po rôznych priamych alebo zakrivených dráhach rôznymi rýchlosťami. Súbor identických častíc pohybujúcich sa viac-menej ako skupina sa nazýva lúč.

Každá častica v lúči má hmotnosť, smer a rýchlosť pohybu blízko zodpovedajúcim parametrom susedných častíc. Vo všeobecnejších podmienkach sa však rýchlosti jednotlivých častíc v lúči líšia podľa Maxwellovho zákona rozloženia.

V tomto prípade zohrávajú dominantnú úlohu vo výskyte magnetických javov častice, ktorých rýchlosť je blízka priemernej rýchlosti lúča, zatiaľ čo častice s inými rýchlosťami vytvárajú efekty druhého rádu.

Ak sa hlavná pozornosť venuje rýchlosti pohybu častíc, potom častice pohybujúce sa vysokou rýchlosťou sa nazývajú horúce a častice pohybujúce sa nízkou rýchlosťou sa nazývajú studené. Tieto definície sú relatívne, to znamená, že neodrážajú žiadne absolútne rýchlosti.

Základné zákony a definície

Existujú dve rôzne definície magnetického poľa: magnetické pole — Toto je oblasť v blízkosti pohybujúcich sa elektrických nábojov, kde pôsobia magnetické sily.Akákoľvek oblasť, v ktorej elektricky nabité telo pri pohybe pôsobí silou, obsahuje magnetické pole.

Elektricky nabitá častica je obklopená elektrické pole… Pohybujúca sa elektricky nabitá častica má magnetické pole spolu s elektrickým. Ampérov zákon stanovuje vzťah medzi pohyblivými nábojmi a magnetickými poľami (pozri — Amperov zákon).

Ak veľa malých elektricky nabitých častíc nepretržite prechádza tou istou časťou trajektórie konštantnou rýchlosťou, potom celkový účinok jednotlivých pohybujúcich sa magnetických polí každej častice sa rovná vytvoreniu permanentného magnetického poľa známeho ako polia Bio Savara.

Špeciálny prípad Amperov zákon, nazývaný Bio-Savardov zákon, určuje veľkosť intenzity magnetického poľa v danej vzdialenosti od nekonečne dlhého rovného drôtu, ktorým preteká elektrický prúd (Biot-Savardov zákon).

Takže magnetické pole má určitú silu.Čím väčší je pohybujúci sa elektrický náboj, tým silnejšie je výsledné magnetické pole. Taktiež čím rýchlejšie sa elektrický náboj pohybuje, tým silnejšie je magnetické pole.

Stacionárny elektrický náboj nevytvára žiadne magnetické pole. V skutočnosti magnetické pole nemôže existovať nezávisle od prítomnosti pohybujúceho sa elektrického náboja.

Lorentzov zákon definuje silu pôsobiacu na pohybujúce sa elektricky nabité častice v magnetickom poli. Lorentzova sila smerované kolmo na smer vonkajšieho poľa aj smer pohybu častice. Na nabité častice pôsobí „laterálna sila“, keď sa pohybujú v pravom uhle k siločiaram magnetického poľa.

"Magneticky nabité" teleso vo vonkajšom magnetickom poli zažíva silu, ktorá má tendenciu presunúť telo z polohy, v ktorej zosilňuje vonkajšie pole, do polohy, v ktorej by sa vonkajšie pole oslabilo. Toto je prejav nasledujúceho princípu: všetky systémy majú tendenciu dosiahnuť stav charakterizovaný minimom energie.

Lenzove pravidlo uvádza: „Ak sa trajektória pohybujúcej sa nabitej častice akýmkoľvek spôsobom zmení v dôsledku interakcie častice s magnetickým poľom, potom tieto zmeny vedú k objaveniu sa nového magnetického poľa presne opačného k magnetickému poľu, ktoré spôsobilo tieto zmeny. «

Schopnosť solenoidu vytvárať "tečúci" magnetický tok magnetickým obvodom závisí od počtu závitov drôtu a od prúdu, ktorý nimi prechádza. Oba faktory vedú k výskytu magnetomotorická sila alebo skrátene MDS... Permanentné magnety môžu vytvoriť podobnú magnetomotorickú silu.

Magnetomotorická sila spôsobuje, že magnetický tok prúdi v magnetickom obvode rovnakým spôsobom ako elektromotorická sila (EMF) zabezpečuje tok elektrického prúdu v elektrickom obvode.

Magnetické obvody sú v niektorých ohľadoch analogické s elektrickými obvodmi, hoci v elektrických obvodoch dochádza k skutočnému pohybu nabitých častíc, zatiaľ čo v magnetických obvodoch k takémuto pohybu nedochádza. Je popísané pôsobenie elektromotorickej sily, ktorá generuje elektrický prúd Ohmov zákon.

Intenzita magnetického poľa Je magnetomotorická sila na jednotku dĺžky zodpovedajúceho magnetického obvodu. Magnetická indukcia alebo hustota toku sa rovná magnetickému toku prechádzajúcemu cez jednotku plochy daného magnetického obvodu.

Neochota Je vlastnosťou určitého magnetického obvodu, ktorá určuje jeho schopnosť viesť magnetický tok v reakcii na pôsobenie magnetomotorickej sily.

Elektrický odpor v ohmoch je priamo úmerný dĺžke dráhy toku elektrónov, nepriamo úmerný prierezovej ploche tohto toku a tiež nepriamo úmerný elektrickej vodivosti, čo je charakteristika, ktorá popisuje elektrické vlastnosti. látky, ktorá tvorí oblasť priestoru nesúcu prúd.

Magnetický odpor je priamo úmerný dĺžke dráhy magnetického toku, nepriamo úmerný ploche prierezu tohto toku a tiež nepriamo úmerný magnetickej permeabilite, čo je charakteristika, ktorá popisuje magnetické vlastnosti látky. z ktorého sa skladá priestor, ktorý nesie magnetický tok. (pozri — Ohmov zákon pre magnetický obvod).

Magnetická priepustnosť Charakteristika látky, ktorá vyjadruje jej schopnosť udržiavať určitú hustotu magnetického toku (pozri — Magnetická priepustnosť).

Viac na túto tému: Elektromagnetické pole - história objavov a fyzikálne vlastnosti