חשמל ומגנטיות, הגדרות בסיסיות, סוגי חלקיקים טעונים נעים
"מדע המגנטיות", כמו רוב הדיסציפלינות האחרות, מבוסס על מעט מאוד מושגים ודי פשוטים. הם די פשוטים, לפחות במונחים של "מה שהם", אם כי קצת יותר קשה להסביר "למה הם". לאחר שהתקבלו ככאלה, הם יכולים לשמש כאבני בניין בסיסיות לפיתוח דיסציפלינה שלמה של לימוד. יחד עם זאת, הם משמשים קווים מנחים בניסיונות להסביר תופעות שנצפו.
ראשית, יש דבר כזה "אֶלֶקטרוֹן"... אלקטרונים לא רק קיימים - הם רבים בכל מקום שבו אנו מסתכלים.
אֶלֶקטרוֹן הוא חפץ בעל מסה זניחה הנושא מטען חשמלי שלילי של יחידה ומסתובב סביב צירו במהירות קבועה מסוימת. אחד הביטויים של תנועת האלקטרונים הוא זרמים חשמליים; במילים אחרות, זרמים חשמליים "נישאים" על ידי אלקטרונים.
שנית, יש דבר כזה "שדה"שניתן להשתמש בו כדי להעביר אנרגיה דרך מה שהוא חלל ריק אחרת.במובן זה, ישנם שלושה סוגים עיקריים של שדות - כבידה, חשמלית ומגנטית (ראה - הבדלים בין שדה חשמלי למגנטי).
שלישית, לפי הרעיונות של אמפר כל אלקטרון נע מוקף בשדה מגנטי... מאחר שרק אלקטרונים ספין הם אלקטרונים בתנועה, נוצר שדה מגנטי סביב כל אלקטרון עם ספין. כתוצאה מכך, כל אלקטרון פועל כמיקרומיניאטורה מגנט קבוע.
רביעית, לפי רעיונותיו של לורנץ כוח מסוים פועל על מטען חשמלי הנע בשדה מגנטי... היא תוצאה של האינטראקציה של השדה החיצוני והשדה של אמפר.
לבסוף, החומר שומר על שלמותו בחלל בזכות כוחות משיכה בין חלקיקים, שהשדה החשמלי שלהם נוצר מהמטען החשמלי שלהם, והשדה המגנטי - הסיבוב שלהם.
ניתן להסביר את כל התופעות המגנטיות על בסיס תנועתם של חלקיקים בעלי מסה ומטען חשמלי כאחד. סוגים אפשריים של חלקיקים כאלה כוללים את הדברים הבאים:
אלקטרונים
אלקטרון הוא חלקיק טעון חשמלי בגודל קטן מאוד. כל אלקטרון זהה מכל בחינה לכל אלקטרון אחר.
1. לאלקרון יש מטען יחידה שלילי ומסה זניחה.
2. המסה של כל האלקטרונים תמיד נשארת קבועה, אם כי המסה הנראית נתונה לשינויים בהתאם לתנאי הסביבה.
3. כל האלקטרונים מסתובבים סביב הציר שלהם - יש ספין באותה מהירות זוויתית קבועה.
חורים
1. חור נקרא מיקום מסוים בסריג הגביש, איפה שהוא יכול להיות, אבל בתנאים האלה אין אלקטרון. לפיכך, לחור יש מטען יחידה חיובי ומסה זניחה.
2.תנועת החור גורמת לאלקטרון לנוע בכיוון ההפוך. לכן, לחור יש בדיוק אותה מסה ואותו ספין של אלקטרון שנע בכיוון ההפוך.
פרוטונים
פרוטון הוא חלקיק שגדול בהרבה מאלקטרון ובעל מטען חשמלי ששווה לחלוטין בערכו המוחלט למטען של אלקטרון, אך יש לו קוטביות הפוכה. מושג הקוטביות ההפוכה מוגדר על ידי התופעות ההפוכות הבאות: אלקטרון ופרוטון חווים כוח משיכה זה כלפי זה, בעוד שני אלקטרונים או שני פרוטונים דוחים זה את זה.
בהתאם למוסכמה שאומצה בניסויים של בנג'מין פרנקלין, מטען האלקטרון נחשב שלילי ומטען הפרוטון חיובי. מכיוון שכל שאר הגופים הטעונים חשמלית נושאים מטענים חשמליים, חיוביים או שליליים, שערכיהם הם תמיד כפולות מדויקות של מטען האלקטרונים, האחרון משמש כ"ערך היחידה" כאשר מתארים תופעה זו.
1. פרוטון הוא יון בעל מטען יחידה חיובי ויחידת משקל מולקולרי.
2. מטען היחידה החיובי של הפרוטון חופף לחלוטין בערך המוחלט למטען היחידה השלילי של האלקטרון, אך מסת הפרוטון גדולה פי כמה ממסת האלקטרון.
3. כל הפרוטונים מסתובבים סביב הציר שלהם (יש להם ספין) באותה מהירות זוויתית, שהיא קטנה בהרבה מהמהירות הזוויתית של סיבוב האלקטרונים.
ראה גם: מבנה האטומים - חלקיקים יסודיים של חומר, אלקטרונים, פרוטונים, נויטרונים
יונים חיוביים
1.ליונים חיוביים יש מטענים שונים שהערכים שלהם הם כפולה שלמה של מטען הפרוטון, ומסות שונות שהערכים שלהן מורכבים מכפולה שלמה של מסת הפרוטון ומסה נוספת של חלקיקים תת-אטומיים.
2. רק ליונים עם מספר אי זוגי של נוקלונים יש ספין.
3. יונים במסות שונות מסתובבים במהירויות זוויתיות שונות.
יונים שליליים
1. ישנם סוגים של יונים שליליים, אנלוגיים לחלוטין ליונים חיוביים, אך נושאים מטען שלילי ולא חיובי.
כל אחד מהחלקיקים הללו, בכל שילוב, יכול לנוע לאורך נתיבים ישרים או מעוקלים שונים במהירויות שונות. אוסף של חלקיקים זהים הנעים פחות או יותר כקבוצה נקרא קרן.
לכל חלקיק בקרן יש מסה, כיוון ומהירות תנועה קרובים לפרמטרים המתאימים של חלקיקים שכנים. עם זאת, בתנאים כלליים יותר, המהירויות של החלקיקים הבודדים בקרן שונות, תוך ציית לחוק ההתפלגות של מקסוול.
במקרה זה, את התפקיד הדומיננטי בהופעת תופעות מגנטיות ממלאים חלקיקים שמהירותם קרובה למהירות הממוצעת של האלומה, בעוד שחלקיקים בעלי מהירויות אחרות מייצרים אפקטים מסדר שני.
אם תשומת הלב העיקרית מוקדשת למהירות התנועה של החלקיקים, אז החלקיקים הנעים במהירות גבוהה נקראים חמים, והחלקיקים הנעים במהירות נמוכה נקראים קרים. הגדרות אלו הן יחסיות, כלומר אינן משקפות מהירויות מוחלטות.
חוקי יסוד והגדרות
ישנן שתי הגדרות שונות לשדה מגנטי: שדה מגנטי - זהו אזור ליד מטענים חשמליים נעים שבו מופעלים כוחות מגנטיים.כל אזור שבו גוף טעון חשמלי חווה כוח תוך כדי תנועה מכיל שדה מגנטי.
חלקיק טעון חשמלי מוקף שדה חשמלי... לחלקיק נע בעל מטען חשמלי יש שדה מגנטי יחד עם שדה חשמלי. חוק אמפר קובע את הקשר בין מטענים נעים ושדות מגנטיים (ראה - חוק אמפר).
אם חלקיקים קטנים טעונים חשמלית רבים עוברים ללא הרף באותו חלק של המסלול במהירות קבועה, אז ההשפעה הכוללת של שדות מגנטיים נעים בודדים של כל חלקיק מסתכמת בהיווצרות שדה מגנטי קבוע הידוע בשם שדות של ביו סבארה.
מקרה מיוחד חוק אמפר, הנקרא חוק ביו-סווארד, קובע את גודל עוצמת השדה המגנטי במרחק נתון מחוט ישר ארוך לאין שיעור שדרכו זורם זרם חשמלי (חוק ביו-סווארד).
אז לשדה המגנטי יש חוזק מסוים.ככל שהמטען החשמלי הנע גדול יותר, כך השדה המגנטי שנוצר חזק יותר. כמו כן, ככל שהמטען החשמלי נע מהר יותר, כך השדה המגנטי חזק יותר.
מטען חשמלי נייח אינו יוצר שום שדה מגנטי. למעשה, שדה מגנטי אינו יכול להתקיים ללא תלות בנוכחות של מטען חשמלי נע.
חוק לורנץ מגדיר את הכוח הפועל על חלקיק מטען חשמלי נע בשדה מגנטי. כוח לורנץ מכוון בניצב הן לכיוון השדה החיצוני והן לכיוון התנועה של החלקיק. קיים "כוח רוחבי" הפועל על חלקיקים טעונים כאשר הם נעים בזווית ישרה לקווי השדה המגנטי.
גוף "טעון מגנטית" בשדה מגנטי חיצוני חווה כוח שנוטה להזיז את הגוף ממצב בו הוא מחזק את השדה החיצוני למצב בו השדה החיצוני ייחלש. זהו הביטוי של העיקרון הבא: כל המערכות נוטות להגיע למצב המאופיין במינימום אנרגיה.
שלטון לנץ קובע: "אם מסלולו של חלקיק טעון נע משתנה בדרך כלשהי כתוצאה מהאינטראקציה של החלקיק עם שדה מגנטי, אז שינויים אלו מובילים להופעת שדה מגנטי חדש בדיוק מנוגד לשדה המגנטי שגרם לשינויים אלו. «
היכולת של סולנואיד ליצור שטף מגנטי "זורם" דרך מעגל מגנטי תלויה הן במספר הסיבובים של החוט והן בזרם הזורם דרכם. שני הגורמים מובילים להתרחשות כוח magnetomotive או MDS בקיצור... מגנטים קבועים יכולים ליצור כוח מגנוטומוטיבי דומה.
הכוח המגנטו-מוטיב גורם לשטף המגנטי לזרום במעגל המגנטי באותו אופן כמו כוח חשמלי (EMF) מבטיח זרימת זרם חשמלי במעגל חשמלי.
מעגלים מגנטיים דומים במובנים מסוימים למעגלים חשמליים, אם כי במעגלים חשמליים ישנה תנועה ממשית של חלקיקים טעונים, בעוד שבמעגלים מגנטיים אין תנועה כזו. מתוארת פעולת הכוח האלקטרו-מוטיבי שיוצר זרם חשמלי חוק אוהם.
כוח שדה מגנטי האם הכוח המגנטו-מוטיבי ליחידת אורך של המעגל המגנטי המתאים. אינדוקציה מגנטית או צפיפות השטף שווה לשטף המגנטי העובר דרך יחידת שטח של מעגל מגנטי נתון.
אִי רָצוֹן הוא מאפיין של מעגל מגנטי מסוים שקובע את יכולתו להוביל שטף מגנטי בתגובה לפעולת כוח מגנטו-מוטיב.
ההתנגדות החשמלית באוהם עומדת ביחס ישר לאורכו של נתיב זרימת האלקטרונים, ביחס הפוך לשטח החתך של זרימה זו, וגם ביחס הפוך למוליכות החשמלית, מאפיין המתאר את התכונות החשמליות של החומר המרכיב את האזור נושא הזרם של החלל.
ההתנגדות המגנטית עומדת ביחס ישר לאורך הנתיב של השטף המגנטי, ביחס הפוך לשטח החתך של השטף הזה, וגם ביחס הפוך לחדירות המגנטית, מאפיין המתאר את התכונות המגנטיות של החומר של שהחלל הנושא את השטף המגנטי מורכב. (ראה - חוק אוהם למעגל מגנטי).
חדירות מגנטית מאפיין של חומר המבטא את יכולתו לשמור על צפיפות שטף מגנטי מסוים (ראה - חדירות מגנטית).
עוד בנושא זה: שדה אלקטרומגנטי - היסטוריה של גילוי ותכונות פיזיקליות