Elektřina a magnetismus, základní definice, typy pohybujících se nabitých částic

"Věda o magnetismu", stejně jako většina ostatních oborů, je založena na velmi málo a spíše jednoduchých konceptech. Jsou celkem jednoduché, alespoň co se týče toho „co jsou“, i když vysvětlit „proč jsou“ je trochu složitější. Jakmile budou přijaty jako takové, mohou být použity jako základní stavební kameny pro rozvoj celé studijní disciplíny. Zároveň slouží jako vodítko při pokusech vysvětlit pozorované jevy.

Za prvé, existuje něco jako "elektron"… Elektrony neexistují jen tak – jsou jich nesčetné množství všude, kam se podíváme.

Elektron je předmět zanedbatelné hmotnosti, který nese jednotkový záporný elektrický náboj a otáčí se kolem své osy určitou konstantní rychlostí. Jedním z projevů pohybu elektronů jsou elektrické proudy; jinými slovy, elektrické proudy jsou „neseny“ elektrony.

Za druhé, existuje něco jako "pole"které lze použít k přenosu energie přes jinak prázdný prostor.V tomto smyslu existují tři hlavní typy polí — gravitační, elektrické a magnetické (viz — Rozdíly mezi elektrickým a magnetickým polem).

Za třetí, podle představ Ampere každý pohybující se elektron je obklopen magnetickým polem… Protože pouze spinové elektrony jsou elektrony v pohybu, kolem každého elektronu se spinem se vytváří magnetické pole. V důsledku toho se každý elektron chová jako mikrominiatura stálý magnet.

Za čtvrté, podle Lorentzových představ na elektrický náboj pohybující se v magnetickém poli působí určitá síla… Je výsledkem interakce vnějšího pole a Ampérova pole.

Konečně si hmota zachovává svou celistvost v prostoru díky přitažlivé síly mezi částicemi, jejichž elektrické pole je generováno jejich elektrickým nábojem, a magnetické pole — jejich rotace.

Všechny magnetické jevy lze vysvětlit na základě pohybu částic, které mají hmotnost i elektrický náboj. Možné typy takových částic zahrnují následující:

Elektrony

Elektron je elektricky nabitá částice velmi malé velikosti. Každý elektron je ve všech ohledech identický s každým jiným elektronem.

1. Elektron má záporný jednotkový náboj a zanedbatelnou hmotnost.

2. Hmotnost všech elektronů zůstává vždy konstantní, ačkoli zdánlivá hmotnost podléhá změnám v závislosti na podmínkách prostředí.

3. Všechny elektrony rotují kolem své vlastní osy — mají rotaci se stejnou konstantní úhlovou rychlostí.

Díry

1. Díra se nazývá určitá poloha v krystalové mřížce, kde by mohla být, ale za těchto podmínek tam není žádný elektron. Díra má tedy kladný jednotkový náboj a zanedbatelnou hmotnost.

2.Pohyb díry způsobí, že se elektron pohybuje v opačném směru. Proto má díra přesně stejnou hmotnost a stejný spin jako elektron pohybující se v opačném směru.

Protony

Proton je částice, která je mnohem větší než elektron a má elektrický náboj, který je absolutně stejný jako náboj elektronu, ale má opačnou polaritu. Koncept opačné polarity je definován následujícími opačnými jevy: elektron a proton vůči sobě působí přitažlivou silou, zatímco dva elektrony nebo dva protony se vzájemně odpuzují.

V souladu s konvencí přijatou v experimentech Benjamina Franklina je náboj elektronu považován za záporný a náboj protonu za kladný. Protože všechna ostatní elektricky nabitá tělesa nesou elektrické náboje, kladné nebo záporné, jejichž hodnoty jsou vždy přesnými násobky elektronového náboje, používá se při popisu tohoto jevu jako „jednotková hodnota“.

1. Proton je iont s kladným jednotkovým nábojem a jednotkovou molekulovou hmotností.

2. Kladný jednotkový náboj protonu se absolutně shoduje v absolutní hodnotě se záporným jednotkovým nábojem elektronu, ale hmotnost protonu je mnohonásobně větší než hmotnost elektronu.

3. Všechny protony rotují kolem své vlastní osy (mají spin) se stejnou úhlovou rychlostí, která je mnohem menší než úhlová rychlost rotace elektronů.

Viz také: Struktura atomů — elementární částice hmoty, elektrony, protony, neutrony

Pozitivní ionty

1.Kladné ionty mají různé náboje, jejichž hodnoty jsou celočíselným násobkem náboje protonu, a různé hmotnosti, jejichž hodnoty se skládají z celočíselného násobku hmotnosti protonu a nějaké další hmotnosti subatomárních částic.

2. Spin mají pouze ionty s lichým počtem nukleonů.

3. Ionty různé hmotnosti rotují s různou úhlovou rychlostí.

Záporné ionty

1. Existují různé druhy záporných iontů, které jsou zcela analogické kladným iontům, ale nesou spíše záporný než kladný náboj.

Každá z těchto částic se v jakékoli kombinaci může pohybovat po různých přímých nebo zakřivených drahách různými rychlostmi. Soubor identických částic pohybujících se více či méně jako skupina se nazývá paprsek.

Každá částice ve svazku má hmotnost, směr a rychlost pohybu blízkou odpovídajícím parametrům sousedních částic. Za obecnějších podmínek se však rychlosti jednotlivých částic v paprsku liší podle Maxwellova zákona rozdělení.

V tomto případě hrají dominantní roli ve výskytu magnetických jevů částice, jejichž rychlost se blíží průměrné rychlosti paprsku, zatímco částice s jinými rychlostmi generují efekty druhého řádu.

Pokud je hlavní pozornost věnována rychlosti pohybu částic, pak částice pohybující se vysokou rychlostí se nazývají horké a částice pohybující se nízkou rychlostí se nazývají studené. Tyto definice jsou relativní, to znamená, že neodrážejí žádné absolutní rychlosti.

Základní zákony a definice

Existují dvě různé definice magnetického pole: magnetické pole — Jedná se o oblast poblíž pohybujících se elektrických nábojů, kde působí magnetické síly.Jakákoli oblast, kde elektricky nabité těleso zažívá při pohybu sílu, obsahuje magnetické pole.

Elektricky nabitá částice je obklopena elektrické pole… Pohybující se elektricky nabitá částice má magnetické pole spolu s elektrickým. Amperův zákon stanoví vztah mezi pohybujícími se náboji a magnetickými poli (viz — Ampérův zákon).

Jestliže mnoho malých elektricky nabitých částic nepřetržitě prochází stejnou částí trajektorie konstantní rychlostí, pak celkový účinek jednotlivých pohybujících se magnetických polí každé částice se rovná vytvoření permanentního magnetického pole známého jako pole Bio Savara.

Speciální případ Ampérův zákon, zvaný Bio-Savardův zákon, určuje velikost síly magnetického pole v dané vzdálenosti od nekonečně dlouhého rovného drátu, kterým protéká elektrický proud (Biot-Savardův zákon).

Magnetické pole má tedy určitou sílu.Čím větší je pohybující se elektrický náboj, tím silnější je výsledné magnetické pole. Také čím rychleji se elektrický náboj pohybuje, tím silnější je magnetické pole.

Stacionární elektrický náboj nevytváří žádné magnetické pole. Magnetické pole ve skutečnosti nemůže existovat nezávisle na přítomnosti pohybujícího se elektrického náboje.

Lorentzův zákon definuje sílu působící na pohybující se elektricky nabitou částici v magnetickém poli. Lorentzova síla směřuje kolmo jak ke směru vnějšího pole, tak ke směru pohybu částice. Na nabité částice působí „boční síla“, když se pohybují v pravém úhlu k siločarám magnetického pole.

"Magneticky nabité" tělo ve vnějším magnetickém poli zažívá sílu, která má tendenci přesunout tělo z polohy, kde zesiluje vnější pole, do polohy, kde by vnější pole zesláblo. To je projevem následujícího principu: všechny systémy mají tendenci dosáhnout stavu charakterizovaného minimální energií.

Lenzovo pravidlo uvádí: „Pokud se trajektorie pohybující se nabité částice jakýmkoli způsobem změní v důsledku interakce částice s magnetickým polem, pak tyto změny vedou ke vzniku nového magnetického pole přesně opačného k magnetickému poli, které tyto změny způsobilo. «

Schopnost solenoidu vytvářet "tekoucí" magnetický tok magnetickým obvodem závisí jak na počtu závitů drátu, tak na proudu, který jimi protéká. Oba faktory vedou k výskytu magnetomotorická síla nebo zkráceně MDS… Permanentní magnety mohou vytvořit podobnou magnetomotorickou sílu.

Magnetomotorická síla způsobuje, že magnetický tok proudí v magnetickém obvodu stejným způsobem jako elektromotorická síla (EMF) zajišťuje tok elektrického proudu v elektrickém obvodu.

Magnetické obvody jsou v některých ohledech analogické s elektrickými obvody, i když v elektrických obvodech dochází ke skutečnému pohybu nabitých částic, zatímco v magnetických obvodech k takovému pohybu nedochází. Je popsáno působení elektromotorické síly, která generuje elektrický proud Ohmův zákon.

Síla magnetického pole Je magnetomotorická síla na jednotku délky odpovídajícího magnetického obvodu. Magnetická indukce neboli hustota toku se rovná magnetickému toku procházejícímu jednotkovou plochou daného magnetického obvodu.

Neochota Je charakteristika určitého magnetického obvodu, která určuje jeho schopnost vést magnetický tok v reakci na působení magnetomotorické síly.

Elektrický odpor v ohmech je přímo úměrný délce dráhy toku elektronů, nepřímo úměrný ploše průřezu tohoto toku, a také nepřímo úměrný elektrické vodivosti, což je charakteristika, která popisuje elektrické vlastnosti. látky, která tvoří proudovou oblast prostoru.

Magnetický odpor je přímo úměrný délce dráhy magnetického toku, nepřímo úměrný ploše průřezu tohoto toku a také nepřímo úměrný magnetické permeabilitě, což je charakteristika, která popisuje magnetické vlastnosti látky. ze kterého se skládá prostor, který nese magnetický tok. (viz — Ohmův zákon pro magnetický obvod).

Magnetická permeabilita Charakteristika látky, která vyjadřuje její schopnost udržovat určitou hustotu magnetického toku (viz — Magnetická permeabilita).

Více na toto téma: Elektromagnetické pole - historie objevu a fyzikální vlastnosti