Elektrizität und Magnetismus, grundlegende Definitionen, Arten bewegter geladener Teilchen

Die „Wissenschaft des Magnetismus“ basiert wie die meisten anderen Disziplinen auf sehr wenigen und eher einfachen Konzepten. Sie sind recht einfach, zumindest in Bezug auf „was sie sind“, obwohl es etwas schwieriger ist zu erklären, „warum sie sind“. Sobald sie als solche akzeptiert werden, können sie als Grundbausteine ​​für die Entwicklung einer gesamten Studiendisziplin verwendet werden. Gleichzeitig dienen sie als Leitlinien für Erklärungsversuche beobachteter Phänomene.

Erstens gibt es so etwas wie "Elektron"… Elektronen existieren nicht nur – sie sind unzählige, wohin wir auch schauen.

Elektron ist ein Objekt von vernachlässigbarer Masse, das eine Einheit negativer elektrischer Ladung trägt und sich mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit um seine Achse dreht. Eine der Erscheinungsformen der Elektronenbewegung sind elektrische Ströme; Mit anderen Worten: Elektrische Ströme werden von Elektronen „getragen“.

Zweitens gibt es so etwas wie "Feld"mit dem Energie durch den ansonsten leeren Raum übertragen werden kann.In diesem Sinne gibt es drei Haupttypen von Feldern – Gravitation, elektrisches und magnetisches (siehe – Unterschiede zwischen elektrischem und magnetischem Feld).

Drittens nach Amperes Vorstellungen Jedes bewegte Elektron ist von einem Magnetfeld umgeben… Da nur Spinelektronen bewegte Elektronen sind, entsteht um jedes Elektron mit Spin ein Magnetfeld. Folglich fungiert jedes Elektron als Mikrominiatur Dauermagnet.

Viertens nach Lorentz‘ Vorstellungen Auf eine elektrische Ladung, die sich in einem Magnetfeld bewegt, wirkt eine bestimmte Kraft… Es ist das Ergebnis der Wechselwirkung des äußeren Feldes und des Ampere-Feldes.

Schließlich behält die Materie ihre Integrität im Raum dank Anziehungskräfte zwischen Teilchen, deren elektrisches Feld durch ihre elektrische Ladung erzeugt wird, und das magnetische Feld – ihre Rotation.

Alle magnetischen Phänomene können auf der Grundlage der Bewegung von Teilchen erklärt werden, die sowohl Masse als auch elektrische Ladung haben. Zu den möglichen Arten solcher Partikel gehören:

Elektronen

Ein Elektron ist ein elektrisch geladenes Teilchen von sehr kleiner Größe. Jedes Elektron ist in jeder Hinsicht mit jedem anderen Elektron identisch.

1. Ein Elektron hat eine negative Einheitsladung und eine vernachlässigbare Masse.

2. Die Masse aller Elektronen bleibt immer konstant, obwohl die scheinbare Masse je nach Umgebungsbedingungen Änderungen unterliegt.

3. Alle Elektronen drehen sich um ihre eigene Achse – sie haben einen Spin mit der gleichen konstanten Winkelgeschwindigkeit.

Löcher

1. Als Loch bezeichnet man eine bestimmte Stelle im Kristallgitter, an der es sein könnte, unter diesen Bedingungen aber kein Elektron vorhanden ist. Somit hat das Loch eine positive Einheitsladung und eine vernachlässigbare Masse.

2.Durch die Bewegung des Lochs bewegt sich das Elektron in die entgegengesetzte Richtung. Daher hat ein Loch genau die gleiche Masse und den gleichen Spin wie ein Elektron, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt.

Protonen

Ein Proton ist ein Teilchen, das viel größer als ein Elektron ist und eine elektrische Ladung hat, die im absoluten Wert der Ladung eines Elektrons absolut gleich ist, aber die entgegengesetzte Polarität hat. Das Konzept der entgegengesetzten Polarität wird durch die folgenden gegensätzlichen Phänomene definiert: Ein Elektron und ein Proton üben eine Anziehungskraft aufeinander aus, während zwei Elektronen oder zwei Protonen sich gegenseitig abstoßen.

Gemäß der in Benjamin Franklins Experimenten angenommenen Konvention gilt die Ladung des Elektrons als negativ und die Ladung des Protons als positiv. Da alle anderen elektrisch geladenen Körper elektrische Ladungen tragen, ob positiv oder negativ, deren Werte immer exakte Vielfache der Elektronenladung sind, wird bei der Beschreibung dieses Phänomens letztere als „Einheitswert“ verwendet.

1. Ein Proton ist ein Ion mit einer positiven Einheitsladung und einem Einheitsmolekulargewicht.

2. Die positive Einheitsladung des Protons stimmt betragsmäßig absolut mit der negativen Einheitsladung des Elektrons überein, aber die Masse des Protons ist um ein Vielfaches größer als die Masse des Elektrons.

3. Alle Protonen rotieren um ihre eigene Achse (haben Spin) mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit, die viel kleiner ist als die Winkelgeschwindigkeit der Elektronenrotation.

Siehe auch: Die Struktur der Atome – Elementarteilchen der Materie, Elektronen, Protonen, Neutronen

Positive Ionen

1.Positive Ionen haben unterschiedliche Ladungen, deren Werte ein ganzzahliges Vielfaches der Ladung des Protons sind, und unterschiedliche Massen, deren Werte aus einem ganzzahligen Vielfachen der Masse des Protons und einer zusätzlichen Masse subatomarer Teilchen bestehen.

2. Nur Ionen mit einer ungeraden Anzahl an Nukleonen haben einen Spin.

3. Ionen unterschiedlicher Masse rotieren mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten.

Negative Ionen

1. Es gibt verschiedene Arten negativer Ionen, die völlig analog zu positiven Ionen sind, aber eine negative statt einer positiven Ladung tragen.

Jedes dieser Teilchen kann sich in beliebiger Kombination auf unterschiedlichen geraden oder gekrümmten Bahnen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Eine Ansammlung identischer Teilchen, die sich mehr oder weniger als Gruppe bewegen, wird als Strahl bezeichnet.

Jedes Teilchen im Strahl hat eine Masse, Richtung und Bewegungsgeschwindigkeit, die den entsprechenden Parametern benachbarter Teilchen nahe kommt. Unter allgemeineren Bedingungen unterscheiden sich jedoch die Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen im Strahl aufgrund des Maxwellschen Verteilungsgesetzes.

In diesem Fall spielen Partikel, deren Geschwindigkeit nahe an der Durchschnittsgeschwindigkeit des Strahls liegt, die dominierende Rolle bei der Entstehung magnetischer Phänomene, während Partikel mit anderen Geschwindigkeiten Effekte zweiter Ordnung erzeugen.

Wenn das Hauptaugenmerk auf die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel gelegt wird, werden Partikel, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, als heiß und Partikel, die sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegen, als kalt bezeichnet. Diese Definitionen sind relativ, das heißt, sie geben keine absoluten Geschwindigkeiten wieder.

Grundgesetze und Definitionen

Es gibt zwei verschiedene Definitionen des Magnetfelds: Magnetfeld — Dies ist ein Bereich in der Nähe sich bewegender elektrischer Ladungen, in dem magnetische Kräfte ausgeübt werden.Jeder Bereich, in dem ein elektrisch geladener Körper bei seiner Bewegung eine Kraft erfährt, enthält ein Magnetfeld.

Ein elektrisch geladenes Teilchen ist umgeben elektrisches Feld… Ein sich bewegendes elektrisch geladenes Teilchen hat neben einem elektrischen auch ein magnetisches Feld. Das Amperesche Gesetz legt die Beziehung zwischen bewegten Ladungen und Magnetfeldern fest (siehe – Ampere-Gesetz).

Wenn viele kleine elektrisch geladene Teilchen kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit denselben Teil der Flugbahn durchlaufen, dann läuft die Gesamtwirkung der einzelnen bewegten Magnetfelder jedes Teilchens auf die Bildung eines permanenten Magnetfelds hinaus, das als Permanentmagnetfeld bezeichnet wird Felder von Bio Savara.

Besonderer Fall Ampere-Gesetz, Bio-Savard-Gesetz genannt, bestimmt die Größe der magnetischen Feldstärke in einem bestimmten Abstand von einem unendlich langen geraden Draht, durch den ein elektrischer Strom fließt (Biot-Savards Gesetz).

Das Magnetfeld hat also eine bestimmte Stärke. Je größer die bewegte elektrische Ladung, desto stärker ist das resultierende Magnetfeld. Außerdem ist das Magnetfeld umso stärker, je schneller sich die elektrische Ladung bewegt.

Eine stationäre elektrische Ladung erzeugt kein Magnetfeld. Tatsächlich kann ein Magnetfeld nicht unabhängig von der Anwesenheit einer sich bewegenden elektrischen Ladung existieren.

Das Lorentzsche Gesetz definiert die Kraft, die auf ein sich bewegendes elektrisch geladenes Teilchen in einem Magnetfeld wirkt. Lorentzkraft senkrecht zur Richtung des äußeren Feldes und zur Bewegungsrichtung des Teilchens gerichtet. Auf geladene Teilchen wirkt eine „Querkraft“, wenn sie sich im rechten Winkel zu den Magnetfeldlinien bewegen.

Ein „magnetisch geladener“ Körper erfährt in einem externen Magnetfeld eine Kraft, die dazu neigt, den Körper von einer Position, in der er das externe Feld verstärkt, in eine Position zu bewegen, in der das externe Feld schwächer würde. Dies ist die Manifestation des folgenden Prinzips: Alle Systeme neigen dazu, einen Zustand zu erreichen, der durch minimale Energie gekennzeichnet ist.

Lenzsche Regel heißt es: „Wenn sich die Flugbahn eines sich bewegenden geladenen Teilchens in irgendeiner Weise aufgrund der Wechselwirkung des Teilchens mit einem Magnetfeld ändert, dann führen diese Änderungen zum Auftreten eines neuen Magnetfelds, das dem Magnetfeld, das diese Änderungen verursacht hat, genau entgegengesetzt ist.“ «

Die Fähigkeit eines Magneten, einen „fließenden“ Magnetfluss durch einen Magnetkreis zu erzeugen, hängt sowohl von der Anzahl der Drahtwindungen als auch vom durch sie fließenden Strom ab. Beide Faktoren führen zum Auftreten Magnetomotorische Kraft oder kurz MDS… Permanentmagnete können eine ähnliche magnetomotorische Kraft erzeugen.

Die magnetomotorische Kraft sorgt dafür, dass der Magnetfluss im Magnetkreis auf die gleiche Weise fließt wie elektromotorische Kraft (EMF) sorgt für den Stromfluss in einem Stromkreis.

Magnetische Kreise ähneln in gewisser Weise elektrischen Kreisen, obwohl in elektrischen Kreisen eine tatsächliche Bewegung geladener Teilchen stattfindet, während es in magnetischen Kreisen keine solche Bewegung gibt. Beschrieben wird die Wirkung der elektromotorischen Kraft, die einen elektrischen Strom erzeugt Ohm'sches Gesetz.

Magnetische Feldstärke Ist die magnetomotorische Kraft pro Längeneinheit des entsprechenden Magnetkreises. Die magnetische Induktion oder Flussdichte ist gleich dem magnetischen Fluss, der durch eine Flächeneinheit eines bestimmten Magnetkreises fließt.

Zurückhaltung Ist eine Eigenschaft eines bestimmten Magnetkreises, die seine Fähigkeit bestimmt, als Reaktion auf die Wirkung einer magnetomotorischen Kraft einen magnetischen Fluss zu leiten.

Der elektrische Widerstand in Ohm ist direkt proportional zur Weglänge des Elektronenflusses, umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche dieses Flusses und auch umgekehrt proportional zur elektrischen Leitfähigkeit, einer Eigenschaft, die die elektrischen Eigenschaften beschreibt der Substanz, die den stromdurchflossenen Raumbereich ausmacht.

Der magnetische Widerstand ist direkt proportional zur Länge des Weges des magnetischen Flusses, umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche dieses Flusses und auch umgekehrt proportional zur magnetischen Permeabilität, einer Eigenschaft, die die magnetischen Eigenschaften der Substanz beschreibt aus der sich der Raum zusammensetzt, der den magnetischen Fluss trägt. (siehe – Ohmsches Gesetz für einen Magnetkreis).

Magnetische Permeabilität Eine Eigenschaft eines Stoffes, die seine Fähigkeit zum Ausdruck bringt, eine bestimmte magnetische Flussdichte aufrechtzuerhalten (siehe – Magnetische Permeabilität).

Mehr zu diesem Thema: Elektromagnetisches Feld – Entdeckungsgeschichte und physikalische Eigenschaften