Ηλεκτρισμός και μαγνητισμός, βασικοί ορισμοί, τύποι κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων

Η «επιστήμη του μαγνητισμού», όπως και οι περισσότεροι άλλοι κλάδοι, βασίζεται σε πολύ λίγες και μάλλον απλές έννοιες. Είναι αρκετά απλά, τουλάχιστον ως προς το «τι είναι», αν και είναι λίγο πιο δύσκολο να εξηγήσει κανείς το «γιατί είναι». Μόλις γίνουν δεκτά ως τέτοια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βασικά δομικά στοιχεία για την ανάπτυξη ενός ολόκληρου κλάδου σπουδών. Ταυτόχρονα, χρησιμεύουν ως κατευθυντήριες γραμμές σε προσπάθειες εξήγησης των παρατηρούμενων φαινομένων.

Πρώτον, υπάρχει κάτι τέτοιο όπως "ηλεκτρόνιο"… Τα ηλεκτρόνια δεν υπάρχουν απλώς – είναι μυριάδες όπου κι αν κοιτάξουμε.

Ηλεκτρόνιο είναι ένα αντικείμενο αμελητέας μάζας που φέρει ένα μοναδιαίο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του με μια ορισμένη σταθερή ταχύτητα. Μία από τις εκδηλώσεις της κίνησης των ηλεκτρονίων είναι τα ηλεκτρικά ρεύματα. με άλλα λόγια, τα ηλεκτρικά ρεύματα «μεταφέρονται» από ηλεκτρόνια.

Δεύτερον, υπάρχει κάτι τέτοιο όπως "πεδίο"που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση ενέργειας μέσω αυτού που κατά τα άλλα είναι κενός χώρος.Με αυτή την έννοια, υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι πεδίων — βαρυτικά, ηλεκτρικά και μαγνητικά (βλ. Διαφορές μεταξύ ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου).

Τρίτον, σύμφωνα με τις ιδέες του Ampere κάθε κινούμενο ηλεκτρόνιο περιβάλλεται από ένα μαγνητικό πεδίο… Δεδομένου ότι μόνο τα ηλεκτρόνια σπιν είναι ηλεκτρόνια σε κίνηση, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από κάθε ηλεκτρόνιο με σπιν. Κατά συνέπεια, κάθε ηλεκτρόνιο λειτουργεί ως μικρομινιατούρα μόνιμος μαγνήτης.

Τέταρτον, σύμφωνα με τις ιδέες του Λόρεντς μια ορισμένη δύναμη δρα σε ένα ηλεκτρικό φορτίο που κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο… Είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του εξωτερικού πεδίου και του πεδίου του Ampere.

Τέλος, η ύλη διατηρεί την ακεραιότητά της στο διάστημα χάρη σε ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων, των οποίων το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται από το ηλεκτρικό τους φορτίο και το μαγνητικό πεδίο — την περιστροφή τους.

Όλα τα μαγνητικά φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν με βάση την κίνηση των σωματιδίων που έχουν τόσο μάζα όσο και ηλεκτρικό φορτίο. Πιθανοί τύποι τέτοιων σωματιδίων περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

Ηλεκτρόνια

Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο πολύ μικρού μεγέθους. Κάθε ηλεκτρόνιο είναι πανομοιότυπο από κάθε άποψη με κάθε άλλο ηλεκτρόνιο.

1. Ένα ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό φορτίο μονάδας και αμελητέα μάζα.

2. Η μάζα όλων των ηλεκτρονίων παραμένει πάντα σταθερή, αν και η φαινομενική μάζα υπόκειται σε αλλαγές ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες.

3. Όλα τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους — έχουν σπιν με την ίδια σταθερή γωνιακή ταχύτητα.

Τρύπες

1. Τρύπα ονομάζεται μια ορισμένη θέση στο κρυσταλλικό πλέγμα, όπου θα μπορούσε να είναι, αλλά κάτω από αυτές τις συνθήκες δεν υπάρχει ηλεκτρόνιο. Έτσι, η τρύπα έχει θετικό φορτίο μονάδας και αμελητέα μάζα.

2.Η κίνηση της οπής αναγκάζει το ηλεκτρόνιο να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επομένως, μια οπή έχει ακριβώς την ίδια μάζα και το ίδιο σπιν με ένα ηλεκτρόνιο που κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Πρωτόνια

Πρωτόνιο είναι ένα σωματίδιο που είναι πολύ μεγαλύτερο από ένα ηλεκτρόνιο και έχει ηλεκτρικό φορτίο που είναι απολύτως ίσο σε απόλυτη τιμή με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου, αλλά έχει την αντίθετη πολικότητα. Η έννοια της αντίθετης πολικότητας ορίζεται από τα ακόλουθα αντίθετα φαινόμενα: ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο βιώνουν μια ελκτική δύναμη το ένα προς το άλλο, ενώ δύο ηλεκτρόνια ή δύο πρωτόνια απωθούνται το ένα το άλλο.

Σύμφωνα με τη σύμβαση που υιοθετήθηκε στα πειράματα του Benjamin Franklin, το φορτίο του ηλεκτρονίου θεωρείται αρνητικό και το φορτίο του πρωτονίου είναι θετικό. Δεδομένου ότι όλα τα άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα σώματα φέρουν ηλεκτρικά φορτία, θετικά ή αρνητικά, των οποίων οι τιμές είναι πάντα ακριβή πολλαπλάσια του φορτίου ηλεκτρονίων, το τελευταίο χρησιμοποιείται ως "μοναδιαία τιμή" κατά την περιγραφή αυτού του φαινομένου.

1. Το πρωτόνιο είναι ένα ιόν με θετικό φορτίο μονάδας και μονάδα μοριακού βάρους.

2. Το θετικό φορτίο μονάδας του πρωτονίου συμπίπτει απολύτως σε απόλυτη τιμή με το αρνητικό φορτίο μονάδας του ηλεκτρονίου, αλλά η μάζα του πρωτονίου είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου.

3. Όλα τα πρωτόνια περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους (έχουν σπιν) με την ίδια γωνιακή ταχύτητα, η οποία είναι πολύ μικρότερη από τη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής των ηλεκτρονίων.

Δείτε επίσης: Η δομή των ατόμων - στοιχειώδη σωματίδια ύλης, ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια

Θετικά ιόντα

1.Τα θετικά ιόντα έχουν διαφορετικά φορτία των οποίων οι τιμές είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του φορτίου του πρωτονίου και διαφορετικές μάζες των οποίων οι τιμές αποτελούνται από ένα ακέραιο πολλαπλάσιο της μάζας του πρωτονίου και κάποια επιπλέον μάζα υποατομικών σωματιδίων.

2. Μόνο ιόντα με περιττό αριθμό νουκλεονίων έχουν σπιν.

3. Ιόντα διαφορετικής μάζας περιστρέφονται με διαφορετικές γωνιακές ταχύτητες.

Αρνητικά ιόντα

1. Υπάρχουν ποικιλίες αρνητικών ιόντων, εντελώς ανάλογων με τα θετικά ιόντα, αλλά που φέρουν αρνητικό και όχι θετικό φορτίο.

Κάθε ένα από αυτά τα σωματίδια, σε οποιονδήποτε συνδυασμό, μπορεί να κινηθεί κατά μήκος διαφορετικών ευθύγραμμων ή καμπύλων μονοπατιών με διαφορετικές ταχύτητες. Μια συλλογή πανομοιότυπων σωματιδίων που κινούνται περισσότερο ή λιγότερο ως ομάδα ονομάζεται δέσμη.

Κάθε σωματίδιο στη δέσμη έχει μάζα, κατεύθυνση και ταχύτητα κίνησης κοντά στις αντίστοιχες παραμέτρους των γειτονικών σωματιδίων. Ωστόσο, υπό γενικότερες συνθήκες, οι ταχύτητες των μεμονωμένων σωματιδίων στη δέσμη διαφέρουν, υπακούοντας στον νόμο κατανομής του Maxwell.

Στην περίπτωση αυτή, τον κυρίαρχο ρόλο στην εμφάνιση μαγνητικών φαινομένων παίζουν τα σωματίδια των οποίων η ταχύτητα είναι κοντά στη μέση ταχύτητα της δέσμης, ενώ τα σωματίδια με άλλες ταχύτητες δημιουργούν εφέ δεύτερης τάξης.

Εάν η κύρια προσοχή δίνεται στην ταχύτητα κίνησης των σωματιδίων, τότε τα σωματίδια που κινούνται με υψηλή ταχύτητα ονομάζονται θερμά και τα σωματίδια που κινούνται με χαμηλή ταχύτητα ονομάζονται ψυχρά. Αυτοί οι ορισμοί είναι σχετικοί, δηλαδή δεν αντικατοπτρίζουν καμία απόλυτη ταχύτητα.

Βασικοί νόμοι και ορισμοί

Υπάρχουν δύο διαφορετικοί ορισμοί του μαγνητικού πεδίου: μαγνητικό πεδίο — Αυτή είναι μια περιοχή κοντά σε κινούμενα ηλεκτρικά φορτία όπου ασκούνται μαγνητικές δυνάμεις.Οποιαδήποτε περιοχή όπου ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σώμα δέχεται μια δύναμη καθώς κινείται περιέχει μαγνητικό πεδίο.

Ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο περιβάλλεται ηλεκτρικό πεδίο… Ένα κινούμενο ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο έχει ένα μαγνητικό πεδίο μαζί με ένα ηλεκτρικό. Ο νόμος του Ampere καθιερώνει τη σχέση μεταξύ κινούμενων φορτίων και μαγνητικών πεδίων (βλ. Νόμος του Ampere).

Εάν πολλά μικρά ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια διέρχονται συνεχώς από το ίδιο τμήμα της τροχιάς με σταθερή ταχύτητα, τότε η συνολική επίδραση των επιμέρους κινούμενων μαγνητικών πεδίων κάθε σωματιδίου ισοδυναμεί με το σχηματισμό ενός μόνιμου μαγνητικού πεδίου που είναι γνωστό ως χωράφια του Bio Savara.

Ειδική περίπτωση Νόμος του Ampere, που ονομάζεται νόμος του Bio-Savard, καθορίζει το μέγεθος της έντασης του μαγνητικού πεδίου σε μια δεδομένη απόσταση από ένα απείρως μακρύ ευθύ καλώδιο μέσω του οποίου ρέει ένα ηλεκτρικό ρεύμα (Ο νόμος του Biot-Savard).

Άρα το μαγνητικό πεδίο έχει μια ορισμένη ισχύ.Όσο μεγαλύτερο είναι το κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο, τόσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει. Επίσης, όσο πιο γρήγορα κινείται το ηλεκτρικό φορτίο, τόσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο.

Ένα σταθερό ηλεκτρικό φορτίο δεν δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. Στην πραγματικότητα, ένα μαγνητικό πεδίο δεν μπορεί να υπάρξει ανεξάρτητα από την παρουσία ενός κινούμενου ηλεκτρικού φορτίου.

Ο νόμος του Λόρεντς ορίζει τη δύναμη που ασκείται σε ένα κινούμενο ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο σε ένα μαγνητικό πεδίο. Δύναμη Lorentz κατευθύνεται κάθετα τόσο προς την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου όσο και προς την κατεύθυνση κίνησης του σωματιδίου. Υπάρχει μια «πλευρική δύναμη» που ενεργεί στα φορτισμένα σωματίδια όταν κινούνται σε ορθή γωνία προς τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου.

Ένα "μαγνητικά φορτισμένο" σώμα σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο υφίσταται μια δύναμη που τείνει να μετακινήσει το σώμα από μια θέση όπου ενισχύει το εξωτερικό πεδίο σε μια θέση όπου το εξωτερικό πεδίο θα εξασθενούσε. Αυτή είναι η εκδήλωση της ακόλουθης αρχής: όλα τα συστήματα τείνουν να φτάσουν σε μια κατάσταση που χαρακτηρίζεται από ελάχιστη ενέργεια.

Ο κανόνας του Lenz δηλώνει: «Εάν η τροχιά ενός κινούμενου φορτισμένου σωματιδίου αλλάξει με οποιονδήποτε τρόπο ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του σωματιδίου με ένα μαγνητικό πεδίο, τότε αυτές οι αλλαγές οδηγούν στην εμφάνιση ενός νέου μαγνητικού πεδίου ακριβώς αντίθετου από το μαγνητικό πεδίο που προκάλεσε αυτές τις αλλαγές. «

Η ικανότητα μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας να δημιουργεί μια «ρέουσα» μαγνητική ροή μέσω ενός μαγνητικού κυκλώματος εξαρτάται τόσο από τον αριθμό των στροφών του σύρματος όσο και από το ρεύμα που τις διαρρέει. Και οι δύο παράγοντες οδηγούν στην εμφάνιση μαγνητοκινητική δύναμη ή MDS για συντομία… Οι μόνιμοι μαγνήτες μπορούν να δημιουργήσουν παρόμοια μαγνητοκινητική δύναμη.

Η μαγνητοκινητική δύναμη κάνει τη μαγνητική ροή να ρέει στο μαγνητικό κύκλωμα με τον ίδιο τρόπο όπως ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) εξασφαλίζει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.

Τα μαγνητικά κυκλώματα είναι κατά κάποιο τρόπο ανάλογα με τα ηλεκτρικά κυκλώματα, αν και στα ηλεκτρικά κυκλώματα υπάρχει πραγματική κίνηση φορτισμένων σωματιδίων, ενώ στα μαγνητικά κυκλώματα δεν υπάρχει τέτοια κίνηση. Περιγράφεται η δράση της ηλεκτροκινητικής δύναμης που δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα Νόμος του Ohm.

Ισχύς μαγνητικού πεδίου Είναι η μαγνητοκινητική δύναμη ανά μονάδα μήκους του αντίστοιχου μαγνητικού κυκλώματος. Η μαγνητική επαγωγή ή η πυκνότητα ροής είναι ίση με τη μαγνητική ροή που διέρχεται από μια μονάδα επιφάνειας ενός δεδομένου μαγνητικού κυκλώματος.

Απροθυμία Είναι ένα χαρακτηριστικό ενός συγκεκριμένου μαγνητικού κυκλώματος που καθορίζει την ικανότητά του να διεξάγει μαγνητική ροή ως απόκριση στη δράση μιας μαγνητοκινητικής δύναμης.

Η ηλεκτρική αντίσταση σε ohms είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος της διαδρομής της ροής των ηλεκτρονίων, αντιστρόφως ανάλογη με την περιοχή διατομής αυτής της ροής και επίσης αντιστρόφως ανάλογη με την ηλεκτρική αγωγιμότητα, χαρακτηριστικό που περιγράφει τις ηλεκτρικές ιδιότητες της ουσίας που αποτελεί την περιοχή μεταφοράς ρεύματος του χώρου.

Η μαγνητική αντίσταση είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος της διαδρομής της μαγνητικής ροής, αντιστρόφως ανάλογη με την περιοχή διατομής αυτής της ροής και επίσης αντιστρόφως ανάλογη με τη μαγνητική διαπερατότητα, χαρακτηριστικό που περιγράφει τις μαγνητικές ιδιότητες της ουσίας που αποτελείται ο χώρος που μεταφέρει τη μαγνητική ροή (βλ. Ο νόμος του Ohm για ένα μαγνητικό κύκλωμα).

Μαγνητική διαπερατότητα Χαρακτηριστικό μιας ουσίας που εκφράζει την ικανότητά της να διατηρεί μια ορισμένη πυκνότητα μαγνητικής ροής (βλ. Μαγνητική διαπερατότητα).

Περισσότερα για αυτό το θέμα: Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο - ιστορία ανακάλυψης και φυσικές ιδιότητες