الكهرباء والمغناطيسية ، التعريفات الأساسية ، أنواع الجسيمات المشحونة المتحركة
يعتمد "علم المغناطيسية" ، مثل معظم التخصصات الأخرى ، على مفاهيم قليلة جدًا وبسيطة إلى حد ما. إنها بسيطة للغاية ، على الأقل من حيث "ماهيتها" ، على الرغم من صعوبة شرح "سبب وجودها". بمجرد قبولها على هذا النحو ، يمكن استخدامها كوحدات بناء أساسية لتطوير نظام دراسي كامل. في الوقت نفسه ، تعمل كإرشادات في محاولات شرح الظواهر المرصودة.
أولا ، هناك شيء مثل "إلكترون"... الإلكترونات ليست موجودة فقط - فهي لا تعد ولا تحصى في كل مكان ننظر إليه.
إلكترون هو جسم ذو كتلة ضئيلة يحمل وحدة شحنة كهربائية سالبة ويدور حول محوره بسرعة ثابتة معينة. من مظاهر حركة الإلكترونات التيارات الكهربائية. بعبارة أخرى ، "تحمل" الإلكترونات التيارات الكهربائية.
ثانيًا ، هناك شيء مثل "مجال"التي يمكن استخدامها لنقل الطاقة من خلال ما هو خلاف ذلك الفضاء الفارغ.بهذا المعنى ، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من المجالات - الجاذبية ، والكهربائية ، والمغناطيسية (انظر - الفروق بين المجال الكهربائي والمغناطيسي).
ثالثًا ، وفقًا لأفكار أمبير كل إلكترون متحرك محاط بمجال مغناطيسي… بما أن الإلكترونات المغزلية هي الإلكترونات المتحركة ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي حول كل إلكترون مع الدوران. وبالتالي ، يعمل كل إلكترون كمنمنمات دقيقة المغناطيس الدائم.
رابعًا ، وفقًا لأفكار لورنتز تؤثر قوة معينة على شحنة كهربائية تتحرك في مجال مغناطيسي… إنه نتيجة تفاعل المجال الخارجي ومجال أمبير.
أخيرًا ، تحافظ المادة على سلامتها في الفضاء بفضل قوى الجاذبية بين الجسيمات، التي يتم توليد مجالها الكهربائي من شحنتها الكهربائية ، والمجال المغناطيسي - تناوبهم.
يمكن تفسير جميع الظواهر المغناطيسية على أساس حركة الجسيمات التي لها كتلة وشحنة كهربائية. تشمل الأنواع المحتملة لهذه الجسيمات ما يلي:
الإلكترونات
الإلكترون هو جسيم مشحون كهربائيًا بحجم صغير جدًا. كل إلكترون متطابق من جميع النواحي مع كل إلكترون آخر.
1. للإلكترون وحدة شحنة سالبة وكتلة ضئيلة.
2. تظل كتلة جميع الإلكترونات ثابتة دائمًا ، على الرغم من أن الكتلة الظاهرة تخضع للتغييرات حسب الظروف البيئية.
3. تدور جميع الإلكترونات حول محورها - لها دوران بنفس السرعة الزاوية الثابتة.
ثقوب
1. يسمى الثقب موقعًا معينًا في الشبكة البلورية ، حيث يمكن أن يكون ، ولكن في ظل هذه الظروف لا يوجد إلكترون. وبالتالي ، فإن الثقب يحتوي على وحدة شحنة موجبة وكتلة ضئيلة.
2.تؤدي حركة الثقب إلى تحرك الإلكترون في الاتجاه المعاكس. لذلك ، الثقب له نفس كتلة ونفس دوران الإلكترون الذي يتحرك في الاتجاه المعاكس.
البروتونات
البروتون هو جسيم أكبر بكثير من الإلكترون وله شحنة كهربائية مساوية تمامًا في القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون ، لكن له قطبية معاكسة. يتم تعريف مفهوم القطبية المعاكسة من خلال الظواهر المعاكسة التالية: يختبر الإلكترون والبروتون قوة جذابة تجاه بعضهما البعض ، بينما يتنافر إلكترونان أو بروتونان بعضهما البعض.
وفقًا للاتفاقية المعتمدة في تجارب بنجامين فرانكلين ، تعتبر شحنة الإلكترون سالبة وشحنة البروتون موجبة. نظرًا لأن جميع الأجسام المشحونة كهربائيًا تحمل شحنات كهربائية ، موجبة أو سالبة ، تكون قيمها دائمًا مضاعفات دقيقة لشحنة الإلكترون ، يتم استخدام الأخيرة كـ "قيمة الوحدة" عند وصف هذه الظاهرة.
1. البروتون هو أيون له وحدة شحنة موجبة ووحدة وزن جزيئي.
2. تتطابق شحنة الوحدة الموجبة للبروتون تمامًا في القيمة المطلقة مع شحنة الوحدة السالبة للإلكترون ، لكن كتلة البروتون أكبر بعدة مرات من كتلة الإلكترون.
3. تدور جميع البروتونات حول محورها (لها دوران) بنفس السرعة الزاوية ، والتي تكون أصغر بكثير من السرعة الزاوية لدوران الإلكترون.
أنظر أيضا: هيكل الذرات - الجسيمات الأولية للمادة ، والإلكترونات ، والبروتونات ، والنيوترونات
الأيونات الموجبة
1.الأيونات الموجبة لها شحنة مختلفة وقيمها هي عدد صحيح مضاعف لشحنة البروتون ، وكتل مختلفة تتكون قيمها من عدد صحيح مضاعف لكتلة البروتون وبعض الكتلة الإضافية من الجسيمات دون الذرية.
2. فقط الأيونات التي تحتوي على عدد فردي من النيوكليونات لها دوران.
3. تدور الأيونات ذات الكتل المختلفة بسرعات زاوية مختلفة.
الأيونات السالبة
1. هناك أنواع مختلفة من الأيونات السالبة ، مشابهة تمامًا للأيونات الموجبة ، ولكنها تحمل شحنة سالبة وليست موجبة.
يمكن لكل من هذه الجسيمات ، في أي مجموعة ، التحرك على طول مسارات مستقيمة أو منحنية مختلفة بسرعات مختلفة. مجموعة من الجسيمات المتطابقة تتحرك بشكل أو بآخر كمجموعة تسمى الحزمة.
كل جسيم في الحزمة له كتلة واتجاه وسرعة حركة قريبة من المعلمات المقابلة للجسيمات المجاورة. ومع ذلك ، في ظل ظروف أكثر عمومية ، تختلف سرعات الجسيمات الفردية في الحزمة ، وفقًا لقانون توزيع ماكسويل.
في هذه الحالة ، يلعب الدور المهيمن في ظهور الظواهر المغناطيسية جسيمات تقترب سرعتها من متوسط سرعة الحزمة ، بينما تولد الجسيمات ذات السرعات الأخرى تأثيرات من الدرجة الثانية.
إذا تم إيلاء الاهتمام الرئيسي لسرعة حركة الجسيمات ، فإن الجسيمات التي تتحرك بسرعة عالية تسمى ساخنة ، والجسيمات التي تتحرك بسرعة منخفضة تسمى باردة. هذه التعريفات نسبية ، أي أنها لا تعكس أي سرعات مطلقة.
التعاريف والقوانين الأساسية
يوجد تعريفان مختلفان للمجال المغناطيسي: حقل مغناطيسي - هذه منطقة قريبة من الشحنات الكهربائية المتحركة حيث تمارس فيها قوى مغناطيسية.أي منطقة يتعرض فيها جسم مشحون كهربائيًا لقوة أثناء تحركه تحتوي على مجال مغناطيسي.
الجسيمات المشحونة كهربائيا محاطة الحقل الكهربائي... الجسيم المتحرك المشحون كهربائيًا له مجال مغناطيسي إلى جانب مجال كهربائي. يحدد قانون أمبير العلاقة بين الشحنات المتحركة والمجالات المغناطيسية (انظر - قانون امبير).
إذا كانت العديد من الجسيمات الصغيرة المشحونة كهربائيًا تمر باستمرار عبر نفس الجزء من المسار بسرعة ثابتة ، فإن التأثير الكلي للمجالات المغناطيسية المتحركة الفردية لكل جسيم يؤدي إلى تكوين مجال مغناطيسي دائم يُعرف باسم حقول بيو سافارا.
حالة خاصة قانون امبير، المسمى قانون Bio-Savard ، يحدد حجم شدة المجال المغناطيسي على مسافة معينة من سلك مستقيم طويل بلا حدود يتدفق من خلاله تيار كهربائي (قانون Biot-Savard).
إذاً للمجال المغناطيسي قوة معينة ، فكلما زادت الشحنة الكهربائية المتحركة ، كلما كان المجال المغناطيسي الناتج أقوى. وأيضًا ، كلما زادت سرعة تحرك الشحنة الكهربية ، كلما كان المجال المغناطيسي أقوى.
لا تولد الشحنة الكهربائية الثابتة أي مجال مغناطيسي. في الواقع ، لا يمكن أن يوجد مجال مغناطيسي بشكل مستقل عن وجود شحنة كهربائية متحركة.
يعرّف قانون لورنتز القوة المؤثرة على جسيم متحرك مشحون كهربائيًا في مجال مغناطيسي. قوة لورنتز موجه بشكل عمودي على كل من اتجاه المجال الخارجي واتجاه حركة الجسيم. هناك "قوة جانبية" تؤثر على الجسيمات المشحونة عندما تتحرك بزوايا قائمة على خطوط المجال المغناطيسي.
يتعرض الجسم "المشحون مغناطيسيًا" في مجال مغناطيسي خارجي لقوة تميل إلى تحريك الجسم من موضع يقوي فيه المجال الخارجي إلى موضع يضعف فيه المجال الخارجي. هذا هو مظهر من مظاهر المبدأ التالي: تميل جميع الأنظمة إلى الوصول إلى حالة تتميز بأقل قدر من الطاقة.
حكم لينز تنص: "إذا تغير مسار جسيم مشحون متحرك بأي شكل من الأشكال نتيجة تفاعل الجسيم مع مجال مغناطيسي ، فإن هذه التغييرات تؤدي إلى ظهور مجال مغناطيسي جديد معاكس تمامًا للحقل المغناطيسي الذي تسبب في حدوث هذه التغييرات. «
تعتمد قدرة الملف اللولبي على إنشاء تدفق مغناطيسي "متدفق" عبر دائرة مغناطيسية على كل من عدد لفات السلك والتيار المتدفق من خلالها. كلا العاملين يؤدي إلى حدوث القوة الدافعة المغناطيسية أو MDS لفترة قصيرة… يمكن للمغناطيسات الدائمة أن تخلق قوة دافعة مغناطيسية مماثلة.
القوة الدافعة المغناطيسية تجعل التدفق المغناطيسي يتدفق في الدائرة المغناطيسية بنفس طريقة القوة الدافعة الكهربائية (EMF) يضمن تدفق التيار الكهربائي في الدائرة الكهربائية.
تشبه الدوائر المغناطيسية في بعض النواحي الدوائر الكهربائية ، على الرغم من وجود حركة فعلية للجسيمات المشحونة في الدوائر الكهربائية ، بينما لا توجد مثل هذه الحركة في الدوائر المغناطيسية. يتم وصف عمل القوة الدافعة الكهربائية التي تولد تيارًا كهربائيًا قانون أوم.
قوة المجال المغناطيسي هي القوة الدافعة المغناطيسية لكل وحدة طول الدائرة المغناطيسية المقابلة. الحث المغناطيسي أو كثافة التدفق يساوي التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر منطقة وحدة في دائرة مغناطيسية معينة.
ممانعة هي خاصية لدائرة مغناطيسية معينة تحدد قدرتها على إجراء تدفق مغناطيسي استجابة لعمل قوة دافعة مغناطيسية.
المقاومة الكهربائية بالأوم تتناسب طرديًا مع طول مسار تدفق الإلكترونات ، وتتناسب عكسًا مع مساحة المقطع العرضي لهذا التدفق ، وتتناسب أيضًا عكسياً مع الموصلية الكهربائية ، وهي خاصية تصف الخصائص الكهربائية من المادة التي تشكل المنطقة الحاملة للفضاء.
المقاومة المغناطيسية تتناسب طرديًا مع طول مسار التدفق المغناطيسي ، وتتناسب عكسًا مع منطقة المقطع العرضي لهذا التدفق ، وتتناسب أيضًا عكسًا مع النفاذية المغناطيسية ، وهي خاصية تصف الخصائص المغناطيسية لمادة الذي يتكون الفضاء الذي يحمل التدفق المغناطيسي. (انظر - قانون أوم للدائرة المغناطيسية).
النفاذية المغناطيسية خاصية مادة تعبر عن قدرتها على الحفاظ على كثافة تدفق مغناطيسي معينة (انظر - النفاذية المغناطيسية).
المزيد عن هذا الموضوع: المجال الكهرومغناطيسي - تاريخ الاكتشاف والخصائص الفيزيائية