Elektrika in magnetizem, osnovne definicije, vrste gibajočih se nabitih delcev
"Znanost o magnetizmu", tako kot večina drugih disciplin, temelji na zelo malo in precej preprostih konceptih. So precej enostavne, vsaj v smislu »kaj so«, čeprav je nekoliko težje razložiti »zakaj so«. Ko jih sprejmemo kot take, jih je mogoče uporabiti kot temeljne gradnike za razvoj celotne študijske discipline. Hkrati služijo kot vodilo pri poskusih razlage opazovanih pojavov.
Prvič, obstaja nekaj takega kot "elektron"… Elektroni ne obstajajo samo – nešteto jih je povsod, kamor koli pogledamo.
Elektron je predmet zanemarljive mase, ki nosi enotni negativni električni naboj in se vrti okoli svoje osi z določeno konstantno hitrostjo. Ena od manifestacij gibanja elektronov so električni tokovi; z drugimi besedami, električni tok "prenašajo" elektroni.
Drugič, obstaja nekaj takega kot "polje"ki se lahko uporablja za prenos energije skozi sicer prazen prostor.V tem smislu obstajajo tri glavne vrste polj — gravitacijska, električna in magnetna (glej — Razlike med električnim in magnetnim poljem).
Tretjič, po Amperovih zamislih vsak gibajoči se elektron je obdan z magnetnim poljem… Ker so samo spinski elektroni elektroni v gibanju, se okrog vsakega elektrona s spinom ustvari magnetno polje. Posledično vsak elektron deluje kot mikrominiatura trajni magnet.
Četrtič, po Lorentzovih zamislih na električni naboj, ki se giblje v magnetnem polju, deluje določena sila… Je rezultat interakcije zunanjega in Amperovega polja.
Nazadnje, snov ohrani svojo celovitost v prostoru zahvaljujoč privlačne sile med delci, katerih električno polje ustvarja njihov električni naboj, in magnetno polje — njihovo vrtenje.
Vse magnetne pojave je mogoče razložiti na podlagi gibanja delcev, ki imajo maso in električni naboj. Možne vrste takih delcev vključujejo naslednje:
Elektroni
Elektron je električno nabit delec zelo majhne velikosti. Vsak elektron je v vsakem pogledu enak vsakemu drugemu elektronu.
1. Elektron ima negativen enotski naboj in zanemarljivo maso.
2. Masa vseh elektronov vedno ostane konstantna, čeprav se navidezna masa spreminja glede na okoljske pogoje.
3. Vsi elektroni se vrtijo okoli lastne osi - vrtijo se z enako konstantno kotno hitrostjo.
Luknje
1. Luknja se imenuje določen položaj v kristalni mreži, kjer bi lahko bila, vendar pod temi pogoji ni elektrona. Tako ima luknja pozitiven enotski naboj in zanemarljivo maso.
2.Gibanje luknje povzroči, da se elektron premakne v nasprotno smer. Zato ima luknja popolnoma enako maso in enak vrtljaj kot elektron, ki se giblje v nasprotni smeri.
Protoni
Proton je delec, ki je veliko večji od elektrona in ima električni naboj, ki je absolutno enak naboju elektrona, vendar ima nasprotno polarnost. Koncept nasprotne polarnosti definirajo naslednji nasprotni pojavi: elektron in proton drug proti drugemu doživljata privlačno silo, medtem ko se dva elektrona ali dva protona odbijata.
V skladu s konvencijo, sprejeto v poskusih Benjamina Franklina, velja, da je naboj elektrona negativen, naboj protona pa pozitiven. Ker vsa druga električno nabita telesa nosijo električne naboje, pozitivne ali negativne, katerih vrednosti so vedno natančni večkratniki naboja elektrona, se slednji uporablja kot "vrednost enote" pri opisovanju tega pojava.
1. Proton je ion s pozitivnim enotskim nabojem in enotsko molekulsko maso.
2. Pozitivni enotski naboj protona absolutno sovpada v absolutni vrednosti z negativnim enotskim nabojem elektrona, vendar je masa protona večkrat večja od mase elektrona.
3. Vsi protoni se vrtijo okoli lastne osi (imajo spin) z enako kotno hitrostjo, ki je veliko manjša od kotne hitrosti vrtenja elektrona.
Poglej tudi: Zgradba atomov — elementarni delci snovi, elektroni, protoni, nevtroni
Pozitivni ioni
1.Pozitivni ioni imajo različne naboje, katerih vrednosti so cel večkratnik naboja protona, in različne mase, katerih vrednosti so sestavljene iz celega večkratnika mase protona in nekaj dodatne mase subatomskih delcev.
2. Samo ioni z lihim številom nukleonov imajo spin.
3. Ioni različnih mas se vrtijo z različnimi kotnimi hitrostmi.
Negativni ioni
1. Obstajajo različne vrste negativnih ionov, ki so popolnoma podobni pozitivnim ionom, vendar imajo negativen in ne pozitiven naboj.
Vsak od teh delcev, v kateri koli kombinaciji, se lahko premika po različnih ravnih ali ukrivljenih poteh z različnimi hitrostmi. Zbirka enakih delcev, ki se gibljejo bolj ali manj kot skupina, se imenuje žarek.
Vsak delec v žarku ima maso, smer in hitrost gibanja blizu ustreznim parametrom sosednjih delcev. Vendar se pod splošnejšimi pogoji hitrosti posameznih delcev v žarku razlikujejo in upoštevajo Maxwellov zakon porazdelitve.
V tem primeru prevladujočo vlogo pri pojavu magnetnih pojavov igrajo delci, katerih hitrost je blizu povprečne hitrosti žarka, medtem ko delci z drugimi hitrostmi ustvarjajo učinke drugega reda.
Če je glavna pozornost namenjena hitrosti gibanja delcev, se delci, ki se gibljejo z veliko hitrostjo, imenujejo vroči, delci, ki se gibljejo z nizko hitrostjo, pa hladni. Te definicije so relativne, to pomeni, da ne odražajo nobenih absolutnih hitrosti.
Osnovni zakoni in definicije
Obstajata dve različni definiciji magnetnega polja: magnetno polje — To je območje v bližini premikajočih se električnih nabojev, kjer delujejo magnetne sile.Vsako območje, kjer električno nabito telo med premikanjem doživlja silo, vsebuje magnetno polje.
Električno nabit delec je obdan električno polje… Gibajoči se električno nabit delec ima poleg električnega tudi magnetno polje. Amperov zakon vzpostavlja razmerje med gibljivimi naboji in magnetnimi polji (glej — Amperov zakon).
Če veliko majhnih električno nabitih delcev neprestano prehaja skozi isti del trajektorije s konstantno hitrostjo, potem skupni učinek posameznih gibajočih se magnetnih polj vsakega delca doseže nastanek stalnega magnetnega polja, znanega kot polja Bio Savara.
Poseben primer Amperov zakon, imenovan Bio-Savardov zakon, določa velikost magnetne poljske jakosti na določeni razdalji od neskončno dolge ravne žice, skozi katero teče električni tok (Biot-Savardov zakon).
Torej ima magnetno polje določeno jakost.Večji kot je gibljivi električni naboj, močnejše je posledično magnetno polje. Poleg tega, hitreje kot se premika električni naboj, močnejše je magnetno polje.
Stacionarni električni naboj ne ustvarja nobenega magnetnega polja. Pravzaprav magnetno polje ne more obstajati neodvisno od prisotnosti premikajočega se električnega naboja.
Lorentzov zakon definira silo, ki deluje na premikajoči se električno nabit delec v magnetnem polju. Lorentzova sila usmerjena pravokotno tako na smer zunanjega polja kot na smer gibanja delca. Obstaja "bočna sila", ki deluje na nabite delce, ko se premikajo pravokotno na magnetne silnice.
"Magnetno nabito" telo v zunanjem magnetnem polju izkusi silo, ki želi premakniti telo iz položaja, kjer krepi zunanje polje, v položaj, kjer bi zunanje polje oslabelo. To je manifestacija naslednjega načela: vsi sistemi težijo k doseganju stanja, za katerega je značilna minimalna energija.
Lenzovo pravilo pravi: "Če se pot gibajočega se nabitega delca na kakršen koli način spremeni kot posledica interakcije delca z magnetnim poljem, potem te spremembe vodijo do pojava novega magnetnega polja, ki je ravno nasprotno magnetnemu polju, ki je povzročilo te spremembe. «
Sposobnost solenoida, da ustvari "tekoči" magnetni tok skozi magnetno vezje, je odvisna od števila ovojev žice in toka, ki teče skozi njih. Oba dejavnika vodita do pojava magnetomotorna sila ali na kratko MDS… Trajni magneti lahko ustvarijo podobno magnetno gibalno silo.
Magnetomotorna sila povzroči, da magnetni tok teče v magnetnem krogu na enak način kot elektromotorna sila (EMF) zagotavlja pretok električnega toka v električnem tokokrogu.
Magnetna vezja so na nek način analogna električnim vezjem, čeprav je v električnih vezjih dejansko gibanje nabitih delcev, medtem ko v magnetnih vezjih tega gibanja ni. Opisano je delovanje elektromotorne sile, ki ustvarja električni tok Ohmov zakon.
Jakost magnetnega polja Je magnetomotorna sila na enoto dolžine ustreznega magnetnega kroga. Magnetna indukcija ali gostota pretoka je enaka magnetnemu toku, ki prehaja skozi enoto površine danega magnetnega vezja.
Nenaklonjenost Je značilnost določenega magnetnega vezja, ki določa njegovo sposobnost prevajanja magnetnega toka kot odgovor na delovanje magnetomotorne sile.
Električni upor v ohmih je neposredno sorazmeren z dolžino poti toka elektronov, obratno sorazmeren s površino prečnega prereza tega toka in tudi obratno sorazmeren z električno prevodnostjo, kar je značilnost, ki opisuje električne lastnosti snovi, ki tvori tokovno področje prostora.
Magnetni upor je neposredno sorazmeren z dolžino poti magnetnega toka, obratno sorazmeren s površino prečnega prereza tega toka in tudi obratno sorazmeren z magnetno prepustnostjo, kar je značilnost, ki opisuje magnetne lastnosti snovi. iz katerega je sestavljen prostor, ki prenaša magnetni tok (glej — Ohmov zakon za magnetno vezje).
Magnetna prepustnost Značilnost snovi, ki izraža njeno sposobnost ohranjanja določene gostote magnetnega pretoka (glej — Magnetna prepustnost).
Več o tej temi: Elektromagnetno polje - zgodovina odkritij in fizikalne lastnosti