Sähkö ja magnetismi, perusmääritelmät, liikkuvien varautuneiden hiukkasten tyypit

"Magnetismin tiede", kuten useimmat muutkin tieteenalat, perustuu hyvin harvoihin ja melko yksinkertaisiin käsitteisiin. Ne ovat melko yksinkertaisia, ainakin "mitä ne ovat", vaikka "miksi ne ovat" on hieman vaikeampi selittää. Kun ne on hyväksytty sellaisiksi, niitä voidaan käyttää perusrakennuspalikeina koko opiskelualan kehittämisessä. Samalla ne toimivat ohjenuorana yritettäessä selittää havaittuja ilmiöitä.

Ensinnäkin on olemassa sellainen asia kuin "elektroni"… Elektroneja ei vain ole olemassa – niitä on lukemattomia kaikkialla, missä katsomme.

Elektroni on merkityksettömän massainen esine, joka kantaa negatiivisen sähkövarauksen ja pyörii akselinsa ympäri tietyllä vakionopeudella. Yksi elektronien liikkeen ilmenemismuodoista on sähkövirrat; toisin sanoen elektronit "kuljettavat" sähkövirtoja.

Toiseksi on olemassa sellainen asia kuin "ala"jolla voidaan siirtää energiaa muuten tyhjän tilan läpi.Tässä mielessä on olemassa kolme päätyyppiä kenttiä - gravitaatio-, sähkö- ja magneettikenttä (katso - Sähkö- ja magneettikentän erot).

Kolmanneksi Amperen ideoiden mukaan jokaista liikkuvaa elektronia ympäröi magneettikenttä… Koska vain spinelektronit ovat liikkeessä, jokaisen elektronin ympärille syntyy magneettikenttä. Tämän seurauksena jokainen elektroni toimii mikrominiatyyrina kestomagneetti.

Neljänneksi, Lorentzin ideoiden mukaan tietty voima vaikuttaa magneettikentässä liikkuvaan sähkövaraukseen… Se on seurausta ulkoisen kentän ja Amperen kentän vuorovaikutuksesta.

Lopuksi, aine säilyttää eheytensä avaruudessa, kiitos houkuttelevia voimia hiukkasten välillä, joiden sähkökenttä syntyy niiden sähkövarauksesta, ja magneettikenttä - niiden kierto.

Kaikki magneettiset ilmiöt voidaan selittää hiukkasten liikkeen perusteella, joilla on sekä massa että sähkövaraus. Tällaisten hiukkasten mahdollisia tyyppejä ovat seuraavat:

Elektronit

Elektroni on hyvin pienikokoinen sähköisesti varautunut hiukkanen. Jokainen elektroni on kaikilta osin identtinen kaikkien muiden elektronien kanssa.

1. Elektronilla on negatiivinen yksikkövaraus ja mitätön massa.

2. Kaikkien elektronien massa pysyy aina vakiona, vaikka näennäinen massa muuttuu ympäristöolosuhteiden mukaan.

3. Kaikki elektronit pyörivät oman akselinsa ympäri - niillä on sama vakiokulmanopeus.

Reikiä

1. Reiäksi kutsutaan tiettyä kohtaa kidehilassa, missä se voisi olla, mutta näissä olosuhteissa elektronia ei ole. Siten reiällä on positiivinen yksikkövaraus ja mitätön massa.

2.Reiän liike saa elektronin liikkumaan vastakkaiseen suuntaan. Siksi reiällä on täsmälleen sama massa ja sama spin kuin vastakkaiseen suuntaan liikkuvalla elektronilla.

Protonit

Protoni on hiukkanen, joka on paljon suurempi kuin elektroni ja jonka sähkövaraus on absoluuttisesti sama kuin elektronin varaus, mutta jonka polariteetti on päinvastainen. Vastakkaisen polariteetin käsite määritellään seuraavilla vastakkaisilla ilmiöillä: elektroni ja protoni kokevat vetovoiman toisiaan kohti, kun taas kaksi elektronia tai kaksi protonia hylkivät toisiaan.

Benjamin Franklinin kokeissa hyväksytyn konvention mukaisesti elektronin varausta pidetään negatiivisena ja protonin varausta positiivisena. Koska kaikissa muissa sähköisesti varautuneissa kappaleissa on sähkövarauksia, positiivisia tai negatiivisia, joiden arvot ovat aina tarkat elektronivarauksen kerrannaiset, jälkimmäistä käytetään "yksikköarvona" tätä ilmiötä kuvattaessa.

1. Protoni on ioni, jolla on positiivinen yksikkövaraus ja yksikkömolekyylipaino.

2. Protonin positiivinen yksikkövaraus on absoluuttisesti sama kuin elektronin negatiivinen yksikkövaraus, mutta protonin massa on monta kertaa suurempi kuin elektronin massa.

3. Kaikki protonit pyörivät oman akselinsa ympäri (on spin) samalla kulmanopeudella, joka on paljon pienempi kuin elektronin pyörimisen kulmanopeus.

Katso myös: Atomien rakenne - aineen alkuainehiukkaset, elektronit, protonit, neutronit

Positiiviset ionit

1.Positiivisilla ioneilla on erilaisia ​​varauksia, joiden arvot ovat protonin varauksen kokonaislukukerrannaisia, ja erilaisia ​​massoja, joiden arvot koostuvat protonin massan kokonaislukukerroksista ja jostakin subatomisten hiukkasten lisämassasta.

2. Vain ioneilla, joissa on pariton määrä nukleoneja, on spin.

3. Erimassaiset ionit pyörivät eri kulmanopeuksilla.

Negatiiviset ionit

1. On olemassa erilaisia ​​negatiivisia ioneja, jotka ovat täysin analogisia positiivisten ionien kanssa, mutta joissa on pikemminkin negatiivinen kuin positiivinen varaus.

Jokainen näistä hiukkasista, missä tahansa yhdistelmässä, voi liikkua eri suoria tai kaarevia reittejä pitkin eri nopeuksilla. Joukkoa identtisiä hiukkasia, jotka liikkuvat enemmän tai vähemmän ryhmänä, kutsutaan säteeksi.

Jokaisen säteen hiukkasen massa, suunta ja nopeus ovat lähellä naapurihiukkasten vastaavia parametreja. Yleisemmissä olosuhteissa säteen yksittäisten hiukkasten nopeudet kuitenkin vaihtelevat Maxwellin jakautumislain mukaisesti.

Tässä tapauksessa hallitseva rooli magneettisten ilmiöiden esiintymisessä on hiukkasilla, joiden nopeus on lähellä säteen keskinopeutta, kun taas hiukkaset, joilla on muun nopeus, synnyttävät toisen asteen efektejä.

Jos päähuomio kiinnitetään hiukkasten liikkeen nopeuteen, niin suurella nopeudella liikkuvia hiukkasia kutsutaan kuumiksi ja alhaisella nopeudella liikkuvia hiukkasia kylmiksi. Nämä määritelmät ovat suhteellisia, eli ne eivät heijasta absoluuttisia nopeuksia.

Peruslait ja määritelmät

Magneettikentällä on kaksi eri määritelmää: magneettikenttä — Tämä on liikkuvien sähkövarausten lähellä oleva alue, johon kohdistuu magneettisia voimia.Mikä tahansa alue, jossa sähköisesti varautunut kappale kokee voimaa liikkuessaan, sisältää magneettikentän.

Sähköisesti varautunut hiukkanen on ympäröity sähkökenttä… Liikkuvalla sähköisesti varautuneella hiukkasella on magneettikenttä sähköisen kanssa. Amperen laki määrittää liikkuvien varausten ja magneettikenttien välisen suhteen (ks. Amperen laki).

Jos useita pieniä sähköisesti varautuneita hiukkasia kulkee jatkuvasti saman lentoradan osan läpi vakionopeudella, niin kunkin hiukkasen yksittäisten liikkuvien magneettikenttien kokonaisvaikutus vastaa pysyvän magneettikentän muodostumista, joka tunnetaan ns. Bio Savaran aloilla.

Erikoistapaus Amperen lakiBio-Savardin laki, joka määrittää magneettikentän voimakkuuden tietyllä etäisyydellä äärettömän pitkästä suorasta johdosta, jonka läpi virtaa sähkövirtaa (Biot-Savardin laki).

Joten magneettikentällä on tietty voimakkuus.Mitä suurempi liikkuva sähkövaraus, sitä voimakkaampi on tuloksena oleva magneettikenttä. Lisäksi mitä nopeammin sähkövaraus liikkuu, sitä voimakkaampi on magneettikenttä.

Kiinteä sähkövaraus ei synnytä mitään magneettikenttää. Itse asiassa magneettikenttä ei voi olla olemassa riippumatta liikkuvan sähkövarauksen läsnäolosta.

Lorentzin laki määrittelee voiman, joka vaikuttaa liikkuvaan sähköisesti varautuneeseen hiukkaseen magneettikentässä. Lorentzin voima suunnattu kohtisuoraan sekä ulkoisen kentän suuntaan että hiukkasen liikesuuntaan nähden. Varautuneisiin hiukkasiin vaikuttaa "sivuvoima", kun ne liikkuvat suorassa kulmassa magneettikenttälinjoihin nähden.

"Magneettisesti varautunut" kappale ulkoisessa magneettikentässä kokee voiman, joka pyrkii liikuttamaan kehoa asennosta, jossa se vahvistaa ulkoista kenttää asentoon, jossa ulkoinen kenttä heikkenisi. Tämä on seuraavan periaatteen ilmentymä: kaikki järjestelmät pyrkivät saavuttamaan tilan, jolle on ominaista vähimmäisenergia.

Lenzin sääntö toteaa: "Jos liikkuvan varautuneen hiukkasen liikerata muuttuu jollakin tavalla hiukkasen vuorovaikutuksen seurauksena magneettikentän kanssa, niin nämä muutokset johtavat uuden magneettikentän ilmaantumiseen, joka on täsmälleen vastakkainen magneettikentän kanssa, joka aiheutti nämä muutokset. «

Solenoidin kyky luoda "virtaava" magneettivuo magneettipiirin läpi riippuu sekä johdon kierrosten lukumäärästä että niiden läpi kulkevasta virrasta. Molemmat tekijät johtavat tapahtumaan magnetomotorinen voima tai lyhennettynä MDS… Kestomagneetit voivat luoda samanlaisen magnetomotorisen voiman.

Magnetomotorinen voima saa magneettivuon virtaamaan magneettipiirissä samalla tavalla kuin sähkömotorinen voima (EMF) varmistaa sähkövirran kulkua sähköpiirissä.

Magneettiset piirit ovat jollain tapaa analogisia sähköpiirien kanssa, vaikka sähköpiireissä on todellista varautuneiden hiukkasten liikettä, kun taas magneettisissa piireissä sellaista liikettä ei ole. Kuvataan sähkömoottorin vaikutus, joka synnyttää sähkövirran Ohmin laki.

Magneettikentän voimakkuus Onko magnetomotorinen voima vastaavan magneettipiirin pituusyksikköä kohti. Magneettinen induktio tai vuotiheys on yhtä suuri kuin magneettivuo, joka kulkee tietyn magneettipiirin yksikköpinta-alan läpi.

Haluttomuus On tietyn magneettipiirin ominaisuus, joka määrittää sen kyvyn johtaa magneettivuon vasteena magnetomotorisen voiman vaikutuksesta.

Sähkövastus ohmeina on suoraan verrannollinen elektronien virran reitin pituuteen, kääntäen verrannollinen tämän virtauksen poikkileikkausalaan ja myös kääntäen verrannollinen sähkönjohtavuuteen, joka kuvaa sähköisiä ominaisuuksia. aineesta, joka muodostaa avaruuden virtaa kuljettavan alueen.

Magneettinen vastus on suoraan verrannollinen magneettivuon reitin pituuteen, kääntäen verrannollinen tämän vuon poikkileikkauspinta-alaan ja myös kääntäen verrannollinen magneettiseen permeabiliteettiin, ominaisuus, joka kuvaa aineen magneettisia ominaisuuksia. josta magneettivuon kuljettava tila koostuu. (katso - Ohmin laki magneettiselle piirille).

Magneettinen läpäisevyys Aineen ominaisuus, joka ilmaisee sen kykyä ylläpitää tiettyä magneettivuon tiheyttä (ks. Magneettinen läpäisevyys).

Lisää tästä aiheesta: Sähkömagneettinen kenttä - löytöhistoria ja fysikaaliset ominaisuudet