Eletricidade e magnetismo, definições básicas, tipos de partículas carregadas em movimento

A "ciência do magnetismo", como a maioria das outras disciplinas, é baseada em poucos e bastante simples conceitos. Eles são bastante simples, pelo menos em termos de "o que são", embora seja um pouco mais difícil explicar "por que são". Uma vez aceitos como tal, eles podem ser usados ​​como blocos de construção básicos para o desenvolvimento de toda uma disciplina de estudo. Ao mesmo tempo, servem como diretrizes nas tentativas de explicar os fenômenos observados.

Primeiro, existe algo como "elétron"… Elétrons não existem apenas – eles são uma miríade em todos os lugares que olhamos.

Elétron é um objeto de massa desprezível que carrega uma carga elétrica negativa unitária e gira em torno de seu eixo a uma certa velocidade constante. Uma das manifestações do movimento dos elétrons são as correntes elétricas; em outras palavras, as correntes elétricas são "transportadas" pelos elétrons.

Em segundo lugar, existe algo como "campo"que pode ser usado para transmitir energia através do que de outra forma é um espaço vazio.Nesse sentido, existem três tipos principais de campos — gravitacional, elétrico e magnético (ver — Diferenças entre campo elétrico e campo magnético).

Em terceiro lugar, de acordo com as ideias de Ampere cada elétron em movimento é cercado por um campo magnético… Como apenas os elétrons de spin são elétrons em movimento, um campo magnético é criado ao redor de cada elétron com spin. Consequentemente, cada elétron age como uma microminiatura ímã permanente.

Quarto, de acordo com as ideias de Lorentz uma certa força age sobre uma carga elétrica movendo-se em um campo magnético… É o resultado da interação do campo externo e do campo de Ampere.

Finalmente, a matéria mantém sua integridade no espaço graças a forças atrativas entre partículas, cujo campo elétrico é gerado por sua carga elétrica, e o campo magnético — sua rotação.

Todos os fenômenos magnéticos podem ser explicados com base no movimento de partículas que possuem massa e carga elétrica. Possíveis tipos de tais partículas incluem o seguinte:

elétrons

Um elétron é uma partícula eletricamente carregada de tamanho muito pequeno. Cada elétron é idêntico em todos os aspectos a todos os outros elétrons.

1. Um elétron tem carga unitária negativa e massa desprezível.

2. A massa de todos os elétrons sempre permanece constante, embora a massa aparente esteja sujeita a mudanças dependendo das condições ambientais.

3. Todos os elétrons giram em torno de seu próprio eixo — giram com a mesma velocidade angular constante.

Buracos

1. Um buraco é chamado de uma certa posição na rede cristalina, onde poderia estar, mas nessas condições não há elétron. Assim, o buraco tem carga unitária positiva e massa desprezível.

2.O movimento do buraco faz com que o elétron se mova na direção oposta. Portanto, um buraco tem exatamente a mesma massa e o mesmo spin que um elétron se movendo na direção oposta.

prótons

Um próton é uma partícula que é muito maior que um elétron e tem uma carga elétrica que é absolutamente igual em valor absoluto à carga de um elétron, mas tem a polaridade oposta. O conceito de polaridade oposta é definido pelos seguintes fenômenos opostos: um elétron e um próton experimentam uma força atrativa um em relação ao outro, enquanto dois elétrons ou dois prótons se repelem.

De acordo com a convenção adotada nos experimentos de Benjamin Franklin, a carga do elétron é considerada negativa e a carga do próton é positiva. Como todos os outros corpos carregados eletricamente carregam cargas elétricas, positivas ou negativas, cujos valores são sempre múltiplos exatos da carga do elétron, este último é usado como o "valor unitário" ao descrever esse fenômeno.

1. Um próton é um íon com carga unitária positiva e peso molecular unitário.

2. A carga unitária positiva do próton coincide absolutamente em valor absoluto com a carga unitária negativa do elétron, mas a massa do próton é muitas vezes maior que a massa do elétron.

3. Todos os prótons giram em torno de seu próprio eixo (têm spin) com a mesma velocidade angular, que é muito menor que a velocidade angular de rotação do elétron.

Veja também: A estrutura dos átomos — partículas elementares da matéria, elétrons, prótons, nêutrons

íons positivos

1.Os íons positivos têm cargas diferentes cujos valores são um múltiplo inteiro da carga do próton e massas diferentes cujos valores consistem em um múltiplo inteiro da massa do próton e alguma massa adicional de partículas subatômicas.

2. Somente íons com um número ímpar de núcleons possuem spin.

3. Íons de diferentes massas giram com diferentes velocidades angulares.

íons negativos

1. Existem variedades de íons negativos, completamente análogos aos íons positivos, mas carregando uma carga negativa em vez de positiva.

Cada uma dessas partículas, em qualquer combinação, pode se mover ao longo de diferentes caminhos retos ou curvos em diferentes velocidades. Uma coleção de partículas idênticas movendo-se mais ou menos como um grupo é chamada de feixe.

Cada partícula no feixe tem massa, direção e velocidade de movimento próximas aos parâmetros correspondentes das partículas vizinhas. Porém, sob condições mais gerais, as velocidades das partículas individuais no feixe diferem, obedecendo à lei de distribuição de Maxwell.

Nesse caso, o papel dominante no aparecimento dos fenômenos magnéticos é desempenhado por partículas cuja velocidade é próxima à velocidade média do feixe, enquanto partículas com outras velocidades geram efeitos de segunda ordem.

Se a atenção principal for dada à velocidade do movimento das partículas, as partículas que se movem em alta velocidade são chamadas de quentes e as partículas que se movem em baixa velocidade são chamadas de frias. Essas definições são relativas, ou seja, não refletem nenhuma velocidade absoluta.

Leis básicas e definições

Existem duas definições diferentes de campo magnético: campo magnético — Esta é uma área perto de cargas elétricas em movimento onde as forças magnéticas são exercidas.Qualquer região onde um corpo eletricamente carregado experimenta uma força enquanto se move contém um campo magnético.

Uma partícula eletricamente carregada é cercada campo elétrico… Uma partícula eletricamente carregada em movimento tem um campo magnético junto com um campo elétrico. A lei de Ampere estabelece a relação entre cargas em movimento e campos magnéticos (ver - Lei de Ampère).

Se muitas pequenas partículas carregadas eletricamente passam continuamente pela mesma parte da trajetória a uma velocidade constante, então o efeito total dos campos magnéticos móveis individuais de cada partícula equivale à formação de um campo magnético permanente conhecido como Campos da Bio Savara.

Caso especial Lei de Ampère, chamada de lei de Bio-Savard, determina a magnitude da intensidade do campo magnético a uma determinada distância de um fio reto infinitamente longo através do qual flui uma corrente elétrica (Lei de Biot-Savard).

Assim, o campo magnético tem uma certa força: quanto maior a carga elétrica em movimento, mais forte o campo magnético resultante. Além disso, quanto mais rápido a carga elétrica se move, mais forte é o campo magnético.

Uma carga elétrica estacionária não gera nenhum campo magnético. De fato, um campo magnético não pode existir independentemente da presença de uma carga elétrica em movimento.

A lei de Lorentz define a força que age sobre uma partícula eletricamente carregada em movimento em um campo magnético. força de Lorentz direcionado perpendicularmente à direção do campo externo e à direção do movimento da partícula. Há uma "força lateral" agindo sobre as partículas carregadas quando elas se movem em ângulos retos com as linhas do campo magnético.

Um corpo "carregado magneticamente" em um campo magnético externo experimenta uma força que tende a mover o corpo de uma posição em que fortalece o campo externo para uma posição em que o campo externo enfraqueceria. Esta é a manifestação do seguinte princípio: todos os sistemas tendem a atingir um estado caracterizado por energia mínima.

regra de Lenz afirma: "Se a trajetória de uma partícula carregada em movimento muda de alguma forma como resultado da interação da partícula com um campo magnético, então essas mudanças levam ao aparecimento de um novo campo magnético exatamente oposto ao campo magnético que causou essas mudanças. «

A capacidade de um solenóide de criar um fluxo magnético "fluido" através de um circuito magnético depende tanto do número de voltas do fio quanto da corrente que flui através deles. Ambos os fatores levam à ocorrência força magnetomotriz ou MDS para abreviar… Os ímãs permanentes podem criar uma força magnetomotriz semelhante.

A força magnetomotriz faz com que o fluxo magnético flua no circuito magnético da mesma forma que força eletromotriz (EMF) garante o fluxo de corrente elétrica em um circuito elétrico.

Os circuitos magnéticos são, de certa forma, análogos aos circuitos elétricos, embora nos circuitos elétricos haja movimento real de partículas carregadas, enquanto nos circuitos magnéticos não existe tal movimento. A ação da força eletromotriz que gera uma corrente elétrica é descrita lei de ohm.

Força do campo magnético É a força magnetomotriz por unidade de comprimento do circuito magnético correspondente. A indução magnética ou densidade de fluxo é igual ao fluxo magnético que passa por uma unidade de área de um determinado circuito magnético.

Relutância É uma característica de um determinado circuito magnético que determina sua capacidade de conduzir fluxo magnético em resposta à ação de uma força magnetomotriz.

A resistência elétrica em ohms é diretamente proporcional ao comprimento do caminho do fluxo de elétrons, inversamente proporcional à área da seção transversal desse fluxo e também inversamente proporcional à condutividade elétrica, característica que descreve as propriedades elétricas da substância que compõe a região do espaço portadora de corrente.

A resistência magnética é diretamente proporcional ao comprimento do caminho do fluxo magnético, inversamente proporcional à área da seção transversal desse fluxo e também inversamente proporcional à permeabilidade magnética, característica que descreve as propriedades magnéticas da substância de qual o espaço que carrega o fluxo magnético é composto. (ver - Lei de Ohm para um circuito magnético).

Permeabilidade magnética Uma característica de uma substância que expressa sua capacidade de manter uma certa densidade de fluxo magnético (ver - Permeabilidade magnética).

Mais sobre este tópico: Campo eletromagnético - história da descoberta e propriedades físicas