Elektriciteit en magnetisme, basisdefinities, soorten bewegende geladen deeltjes

De "wetenschap van het magnetisme" is, net als de meeste andere disciplines, gebaseerd op zeer weinig en tamelijk eenvoudige concepten. Ze zijn vrij eenvoudig, althans in termen van "wat ze zijn", hoewel het wat moeilijker is om uit te leggen "waarom ze zijn". Eenmaal als zodanig geaccepteerd, kunnen ze worden gebruikt als basisbouwstenen voor de ontwikkeling van een hele studierichting. Tegelijkertijd dienen ze als leidraad bij pogingen om waargenomen verschijnselen te verklaren.

Ten eerste is er zoiets als "elektron"… Elektronen bestaan ​​niet alleen - ze zijn ontelbaar overal waar we kijken.

Elektron is een object met een verwaarloosbare massa dat een eenheid negatieve elektrische lading draagt ​​en met een bepaalde constante snelheid om zijn as draait. Een van de manifestaties van de beweging van elektronen zijn elektrische stromen; met andere woorden, elektrische stromen worden "gedragen" door elektronen.

Ten tweede bestaat er zoiets als "veld"die kan worden gebruikt om energie over te brengen door wat anders lege ruimte is.In die zin zijn er drie hoofdtypen velden: zwaartekracht, elektrisch en magnetisch (zie - Verschillen tussen elektrisch en magnetisch veld).

Ten derde, volgens de ideeën van Ampere elk bewegend elektron is omgeven door een magnetisch veld… Omdat alleen spin-elektronen elektronen in beweging zijn, ontstaat er een magnetisch veld rond elk elektron met spin. Bijgevolg fungeert elk elektron als een microminiatuur permanente magneet.

Ten vierde, volgens de ideeën van Lorentz een bepaalde kracht werkt op een elektrische lading die in een magnetisch veld beweegt… Het is het resultaat van de interactie van het externe veld en het veld van Ampere.

Ten slotte behoudt de materie zijn integriteit in de ruimte dankzij aantrekkingskrachten tussen deeltjes, waarvan het elektrische veld wordt gegenereerd door hun elektrische lading, en het magnetische veld - hun rotatie.

Alle magnetische verschijnselen kunnen worden verklaard op basis van de beweging van deeltjes die zowel massa als elektrische lading hebben. Mogelijke soorten van dergelijke deeltjes zijn de volgende:

Elektronen

Een elektron is een elektrisch geladen deeltje van zeer kleine omvang. Elk elektron is in elk opzicht identiek aan elk ander elektron.

1. Een elektron heeft een negatieve eenheidslading en een verwaarloosbare massa.

2. De massa van alle elektronen blijft altijd constant, hoewel de schijnbare massa onderhevig is aan veranderingen afhankelijk van de omgevingsomstandigheden.

3. Alle elektronen draaien om hun eigen as — hebben een spin met dezelfde constante hoeksnelheid.

Gaten

1. Een gat wordt een bepaalde positie in het kristalrooster genoemd, waar het zou kunnen zijn, maar onder deze omstandigheden is er geen elektron. Het gat heeft dus een positieve eenheidslading en een verwaarloosbare massa.

2.De beweging van het gat zorgt ervoor dat het elektron in de tegenovergestelde richting beweegt. Daarom heeft een gat precies dezelfde massa en dezelfde spin als een elektron dat in de tegenovergestelde richting beweegt.

Protonen

Een proton is een deeltje dat veel groter is dan een elektron en een elektrische lading heeft die in absolute waarde absoluut gelijk is aan de lading van een elektron, maar de tegengestelde polariteit heeft. Het concept van tegengestelde polariteit wordt gedefinieerd door de volgende tegengestelde verschijnselen: een elektron en een proton ervaren een aantrekkingskracht naar elkaar toe, terwijl twee elektronen of twee protonen elkaar afstoten.

In overeenstemming met de conventie die is aangenomen in de experimenten van Benjamin Franklin, wordt de lading van het elektron als negatief beschouwd en de lading van het proton als positief. Aangezien alle andere elektrisch geladen lichamen elektrische ladingen dragen, positief of negatief, waarvan de waarden altijd exacte veelvouden zijn van de elektronenlading, wordt de laatste gebruikt als de "eenheidswaarde" bij het beschrijven van dit fenomeen.

1. Een proton is een ion met een positieve eenheidslading en een eenheidsmolecuulgewicht.

2. De positieve eenheidslading van het proton valt in absolute waarde absoluut samen met de negatieve eenheidslading van het elektron, maar de massa van het proton is vele malen groter dan de massa van het elektron.

3. Alle protonen draaien rond hun eigen as (hebben spin) met dezelfde hoeksnelheid, die veel kleiner is dan de hoeksnelheid van elektronenrotatie.

Zie ook: De structuur van atomen - elementaire materiedeeltjes, elektronen, protonen, neutronen

Positieve ionen

1.Positieve ionen hebben verschillende ladingen waarvan de waarden een geheel veelvoud zijn van de lading van het proton, en verschillende massa's waarvan de waarden bestaan ​​uit een geheel veelvoud van de massa van het proton en wat extra massa van subatomaire deeltjes.

2. Alleen ionen met een oneven aantal nucleonen hebben spin.

3. Ionen van verschillende massa's roteren met verschillende hoeksnelheden.

Negatieve ionen

1. Er zijn variëteiten van negatieve ionen, volledig analoog aan positieve ionen, maar met een negatieve in plaats van een positieve lading.

Elk van deze deeltjes, in elke combinatie, kan met verschillende snelheden over verschillende rechte of gebogen paden bewegen. Een verzameling identieke deeltjes die min of meer als een groep bewegen, wordt een bundel genoemd.

Elk deeltje in de bundel heeft een massa, richting en bewegingssnelheid die dicht bij de overeenkomstige parameters van naburige deeltjes liggen. Onder meer algemene omstandigheden verschillen de snelheden van de individuele deeltjes in de bundel echter, in overeenstemming met de verdelingswet van Maxwell.

In dit geval wordt de dominante rol bij het verschijnen van magnetische verschijnselen gespeeld door deeltjes waarvan de snelheid dicht bij de gemiddelde snelheid van de straal ligt, terwijl deeltjes met andere snelheden tweede-orde-effecten genereren.

Als de belangrijkste aandacht wordt besteed aan de bewegingssnelheid van de deeltjes, dan worden de deeltjes die met hoge snelheid bewegen heet genoemd en de deeltjes die met lage snelheid bewegen worden koud genoemd. Deze definities zijn relatief, dat wil zeggen dat ze geen absolute snelheden weergeven.

Basiswetten en definities

Er zijn twee verschillende definities van magnetisch veld: magnetisch veld — Dit is een gebied in de buurt van bewegende elektrische ladingen waar magnetische krachten worden uitgeoefend.Elk gebied waar een elektrisch geladen lichaam een ​​kracht ervaart terwijl het beweegt, bevat een magnetisch veld.

Een elektrisch geladen deeltje is omgeven elektrisch veld… Een bewegend elektrisch geladen deeltje heeft naast een elektrisch ook een magnetisch veld. De wet van Ampere legt de relatie vast tussen bewegende ladingen en magnetische velden (zie - De wet van Ampere).

Als veel kleine elektrisch geladen deeltjes continu met een constante snelheid door hetzelfde deel van het traject gaan, dan komt het totale effect van individuele bewegende magnetische velden van elk deeltje neer op de vorming van een permanent magnetisch veld dat bekend staat als velden van Bio Savara.

Speciaal geval De wet van Ampere, de wet van Bio-Savard genoemd, bepaalt de grootte van de magnetische veldsterkte op een bepaalde afstand van een oneindig lange rechte draad waar een elektrische stroom doorheen vloeit (De wet van Biot-Savard).

Het magnetische veld heeft dus een bepaalde sterkte.Hoe groter de bewegende elektrische lading, hoe sterker het resulterende magnetische veld. Hoe sneller de elektrische lading beweegt, hoe sterker het magnetische veld.

Een stationaire elektrische lading wekt geen magnetisch veld op. In feite kan een magnetisch veld niet onafhankelijk van de aanwezigheid van een bewegende elektrische lading bestaan.

De wet van Lorentz definieert de kracht die werkt op een bewegend elektrisch geladen deeltje in een magnetisch veld. Lorentz-kracht loodrecht gericht op zowel de richting van het externe veld als de bewegingsrichting van het deeltje. Er werkt een "zijwaartse kracht" op geladen deeltjes wanneer ze loodrecht op de magnetische veldlijnen bewegen.

Een "magnetisch geladen" lichaam in een extern magnetisch veld ervaart een kracht die de neiging heeft om het lichaam te verplaatsen van een positie waar het het externe veld versterkt naar een positie waar het externe veld zou verzwakken. Dit is de manifestatie van het volgende principe: alle systemen hebben de neiging om een ​​toestand te bereiken die wordt gekenmerkt door minimale energie.

Regel van Lenz stelt: "Als de baan van een bewegend geladen deeltje op enigerlei wijze verandert als gevolg van de interactie van het deeltje met een magnetisch veld, dan leiden deze veranderingen tot de verschijning van een nieuw magnetisch veld dat precies tegengesteld is aan het magnetische veld dat deze veranderingen veroorzaakte. «

Het vermogen van een solenoïde om een ​​"vloeiende" magnetische flux door een magnetisch circuit te creëren, hangt af van zowel het aantal windingen van de draad als de stroom die er doorheen vloeit. Beide factoren leiden tot het optreden magnetomotorische kracht of kortweg MDS… Permanente magneten kunnen een vergelijkbare magnetomotorische kracht creëren.

De magnetomotorische kracht zorgt ervoor dat de magnetische flux in het magnetische circuit stroomt op dezelfde manier als elektromotorische kracht (EMF) zorgt voor de stroom van elektrische stroom in een elektrisch circuit.

Magnetische circuits zijn in sommige opzichten analoog aan elektrische circuits, hoewel er in elektrische circuits daadwerkelijke beweging van geladen deeltjes is, terwijl er in magnetische circuits geen dergelijke beweging is. De werking van de elektromotorische kracht die een elektrische stroom opwekt wordt beschreven De wet van Ohm.

Magnetische veldsterkte Is de magnetomotorische kracht per lengte-eenheid van het overeenkomstige magnetische circuit. Magnetische inductie of fluxdichtheid is gelijk aan de magnetische flux die door een oppervlakte-eenheid van een bepaald magnetisch circuit gaat.

onwil Is een kenmerk van een bepaald magnetisch circuit dat zijn vermogen bepaalt om magnetische flux te geleiden als reactie op de actie van een magnetomotorische kracht.

De elektrische weerstand in ohm is recht evenredig met de lengte van het pad van de elektronenstroom, omgekeerd evenredig met het dwarsdoorsnede-oppervlak van deze stroom, en ook omgekeerd evenredig met de elektrische geleidbaarheid, een kenmerk dat de elektrische eigenschappen beschrijft van de substantie waaruit het stroomvoerende gebied van de ruimte bestaat.

Magnetische weerstand is recht evenredig met de lengte van het pad van de magnetische flux, omgekeerd evenredig met het dwarsdoorsnede-oppervlak van deze flux, en ook omgekeerd evenredig met de magnetische permeabiliteit, een kenmerk dat de magnetische eigenschappen van de substantie beschrijft waaruit de ruimte bestaat die de magnetische flux draagt ​​(zie — De wet van Ohm voor een magnetisch circuit).

Magnetische permeabiliteit Een eigenschap van een stof die het vermogen uitdrukt om een ​​bepaalde magnetische fluxdichtheid te behouden (zie — Magnetische permeabiliteit).

Meer over dit onderwerp: Elektromagnetisch veld - geschiedenis van ontdekking en fysische eigenschappen