ไฟฟ้าและแม่เหล็ก ความหมายเบื้องต้น ชนิดของอนุภาคมีประจุที่เคลื่อนที่ได้

"ศาสตร์แห่งอำนาจแม่เหล็ก" ก็เหมือนกับสาขาวิชาอื่นๆ ส่วนใหญ่ มีพื้นฐานมาจากแนวคิดที่ค่อนข้างเรียบง่ายและน้อยมาก พวกมันค่อนข้างเรียบง่าย อย่างน้อยก็ในแง่ของ "สิ่งที่พวกเขาเป็น" แม้ว่ามันจะยากกว่าเล็กน้อยในการอธิบายว่า "ทำไมพวกเขาถึงเป็น" เมื่อได้รับการยอมรับเช่นนี้แล้ว พวกเขาสามารถใช้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานสำหรับการพัฒนาระเบียบวินัยในการศึกษาทั้งหมด ในขณะเดียวกันก็ใช้เป็นแนวทางในความพยายามที่จะอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้

ประการแรกมีสิ่งเช่น "อิเล็กตรอน"… อิเลคตรอนไม่ได้มีอยู่จริง—พวกมันมีอยู่มากมายในทุกที่ที่เรามอง

อิเล็กตรอน เป็นวัตถุที่มีมวลเล็กน้อยซึ่งมีประจุไฟฟ้าลบหนึ่งหน่วยและหมุนรอบแกนของมันด้วยความเร็วคงที่ระดับหนึ่ง หนึ่งในอาการของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนคือกระแสไฟฟ้า กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระแสไฟฟ้าถูก "นำพา" โดยอิเล็กตรอน

ประการที่สองมีสิ่งเช่น "สนาม"ซึ่งสามารถใช้ส่งพลังงานผ่านพื้นที่ว่างอย่างอื่นได้ในแง่นี้ สนามมีสามประเภทหลัก — แรงโน้มถ่วง ไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก (ดู — ความแตกต่างระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก).

ประการที่สาม ตามความคิดของแอมแปร์ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่แต่ละตัวล้อมรอบด้วยสนามแม่เหล็ก… เนื่องจากอิเล็กตรอนแบบหมุนเท่านั้นที่เป็นอิเล็กตรอนในการเคลื่อนที่ สนามแม่เหล็กจึงถูกสร้างขึ้นรอบๆ อิเล็กตรอนแต่ละตัวด้วยการหมุน ดังนั้น อิเล็กตรอนแต่ละตัวจึงทำหน้าที่เป็นไมโครมินิเอเจอร์ แม่เหล็กถาวร.

ประการที่สี่ ตามแนวคิดของ Lorentz แรงบางอย่างกระทำกับประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก… เป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของสนามภายนอกและสนามของแอมแปร์

ในที่สุด สสารยังคงความสมบูรณ์ในอวกาศด้วย แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคซึ่งสนามไฟฟ้าเกิดจากประจุไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก — การหมุนของพวกเขา.

ปรากฏการณ์แม่เหล็กทั้งหมดสามารถอธิบายได้บนพื้นฐานของการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีทั้งมวลและประจุไฟฟ้า ประเภทที่เป็นไปได้ของอนุภาคดังกล่าวมีดังต่อไปนี้:

อิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งมีขนาดเล็กมาก อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะเหมือนกันทุกประการกับอิเล็กตรอนทุกตัว

1. อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบและมีมวลเล็กน้อย

2. มวลของอิเล็กตรอนทั้งหมดจะคงที่เสมอ แม้ว่ามวลที่ปรากฏอาจเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม

3. อิเล็กตรอนทุกตัวหมุนรอบแกนของตัวเอง - มีการหมุนด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่เท่ากัน

หลุม

1. หลุมเรียกว่าตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งในตาข่ายคริสตัล ซึ่งอาจเป็นได้ แต่ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ไม่มีอิเล็กตรอน ดังนั้น หลุมจึงมีประจุเป็นบวกและมีมวลเล็กน้อย

2.การเคลื่อนที่ของโฮลทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้น หลุมจึงมีมวลเท่ากันและสปินเท่ากันกับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม

โปรตอน

โปรตอนเป็นอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าอิเล็กตรอนมากและมีประจุไฟฟ้าที่มีค่าสัมบูรณ์เท่ากันกับประจุของอิเล็กตรอน แต่มีขั้วตรงกันข้าม แนวคิดของขั้วตรงข้ามถูกกำหนดโดยปรากฏการณ์ตรงข้ามต่อไปนี้: อิเล็กตรอนและโปรตอนสัมผัสกับแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน ในขณะที่อิเล็กตรอนสองตัวหรือโปรตอนสองตัวผลักกัน

ตามข้อตกลงที่นำมาใช้ในการทดลองของเบนจามิน แฟรงคลิน ประจุของอิเล็กตรอนถือเป็นลบ และประจุของโปรตอนเป็นบวก เนื่องจากวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าอื่น ๆ ทั้งหมดมีประจุไฟฟ้า บวกหรือลบ ซึ่งมีค่าเป็นค่าทวีคูณของประจุอิเล็กตรอนที่แน่นอนเสมอ จึงใช้ค่าหลังเป็น "ค่าหน่วย" เมื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้

1. โปรตอนเป็นไอออนที่มีประจุเป็นบวกและมีน้ำหนักโมเลกุลเป็นหน่วย

2. ประจุบวกของโปรตอนมีค่าสัมบูรณ์ตรงกับประจุลบของอิเล็กตรอน แต่มวลของโปรตอนนั้นมากกว่ามวลของอิเล็กตรอนหลายเท่า

3. โปรตอนทั้งหมดหมุนรอบแกนของตัวเอง (มีสปิน) ด้วยความเร็วเชิงมุมเท่ากัน ซึ่งน้อยกว่าความเร็วเชิงมุมของการหมุนของอิเล็กตรอนมาก

ดูสิ่งนี้ด้วย: โครงสร้างของอะตอม — อนุภาคมูลฐานของสสาร อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน

ไอออนบวก

1.ไอออนบวกมีประจุที่แตกต่างกันซึ่งมีค่าเป็นจำนวนเต็มคูณด้วยประจุของโปรตอนและมวลต่างกันซึ่งค่าประกอบด้วยจำนวนเต็มคูณของมวลของโปรตอนและมวลเพิ่มเติมของอนุภาคย่อยของอะตอม

2. เฉพาะไอออนที่มีนิวคลีออนเป็นเลขคี่เท่านั้นที่มีการหมุน

3. ไอออนที่มีมวลต่างกันหมุนด้วยความเร็วเชิงมุมต่างกัน

ไอออนลบ

1. มีไอออนลบหลายชนิด คล้ายกับไอออนบวกโดยสิ้นเชิง แต่มีประจุลบมากกว่าประจุบวก

อนุภาคแต่ละชนิดสามารถเคลื่อนที่ไปตามทางตรงหรือทางโค้งด้วยความเร็วต่างกัน กลุ่มของอนุภาคที่เหมือนกันเคลื่อนที่มากหรือน้อยเป็นกลุ่มเรียกว่าลำแสง

แต่ละอนุภาคในลำแสงมีมวล ทิศทาง และความเร็วในการเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับพารามิเตอร์ที่สอดคล้องกันของอนุภาคข้างเคียง อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะทั่วไป ความเร็วของอนุภาคแต่ละตัวในลำแสงจะแตกต่างกัน ซึ่งเป็นไปตามกฎการกระจายของแมกซ์เวลล์

ในกรณีนี้ อนุภาคที่มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วเฉลี่ยของลำแสงจะมีบทบาทสำคัญในการปรากฎตัวของปรากฏการณ์แม่เหล็ก ในขณะที่อนุภาคที่มีความเร็วอื่นๆ จะสร้างผลกระทบลำดับที่สอง

หากให้ความสนใจหลักไปที่ความเร็วของการเคลื่อนที่ของอนุภาค อนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะเรียกว่าร้อน และอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำจะเรียกว่าเย็น คำจำกัดความเหล่านี้เป็นแบบสัมพัทธ์ กล่าวคือ ไม่ได้สะท้อนถึงความเร็วสัมบูรณ์ใดๆ

กฎหมายพื้นฐานและคำจำกัดความ

มีสองคำจำกัดความที่แตกต่างกันของสนามแม่เหล็ก: สนามแม่เหล็ก — นี่คือบริเวณใกล้กับประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ซึ่งมีแรงแม่เหล็กบริเวณใดก็ตามที่วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสัมผัสกับแรงขณะที่มันเคลื่อนที่จะมีสนามแม่เหล็ก

ล้อมรอบอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า สนามไฟฟ้า… อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่มีสนามแม่เหล็กพร้อมกับอนุภาคไฟฟ้า กฎของแอมแปร์กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างประจุที่เคลื่อนที่และสนามแม่เหล็ก (ดู — กฎของแอมแปร์).

ถ้าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าขนาดเล็กจำนวนมากเคลื่อนที่ผ่านส่วนเดียวกันของวิถีอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วคงที่ ผลรวมของสนามแม่เหล็กแต่ละอันที่เคลื่อนที่ของแต่ละอนุภาคจะก่อตัวเป็นสนามแม่เหล็กถาวรที่เรียกว่า สาขาไบโอซาวารา.

กรณีพิเศษ กฎของแอมแปร์เรียกว่ากฎของ Bio-Savard กำหนดขนาดของความแรงของสนามแม่เหล็กที่ระยะที่กำหนดจากเส้นลวดตรงที่ยาวไม่สิ้นสุดซึ่งมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (กฎของไบโอต-ซาวาร์ด).

ดังนั้นสนามแม่เหล็กจึงมีความแรงในระดับหนึ่ง ยิ่งประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่มากเท่าไร สนามแม่เหล็กที่ได้ก็จะยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น ยิ่งประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่เร็วเท่าไร สนามแม่เหล็กก็ยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น

ประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่งจะไม่สร้างสนามแม่เหล็กใดๆ ในความเป็นจริงแล้วสนามแม่เหล็กไม่สามารถดำรงอยู่ได้โดยอิสระจากการมีอยู่ของประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่

กฎของลอเรนซ์กำหนดแรงที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก กองกำลังลอเรนซ์ ตั้งฉากกับทั้งทิศทางของสนามภายนอกและทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาค มี "แรงด้านข้าง" ที่กระทำต่ออนุภาคที่มีประจุเมื่อพวกมันเคลื่อนที่เป็นมุมฉากกับเส้นสนามแม่เหล็ก

ร่างกาย "ที่มีประจุแม่เหล็ก" ในสนามแม่เหล็กภายนอกจะสัมผัสกับแรงที่มีแนวโน้มที่จะเคลื่อนร่างกายจากตำแหน่งที่เสริมสร้างสนามแม่เหล็กภายนอกไปยังตำแหน่งที่สนามภายนอกจะอ่อนแอลง นี่คือการแสดงออกของหลักการต่อไปนี้: ระบบทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะเข้าสู่สถานะที่มีลักษณะเฉพาะของพลังงานขั้นต่ำ

กฎของ Lenz ระบุว่า: "หากวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคมีประจุเคลื่อนที่เปลี่ยนไปในทางใดทางหนึ่งอันเป็นผลมาจากอันตรกิริยาของอนุภาคกับสนามแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะนำไปสู่การปรากฏของสนามแม่เหล็กใหม่ตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ «

ความสามารถของโซลินอยด์ในการสร้างฟลักซ์แม่เหล็ก "ไหล" ผ่านวงจรแม่เหล็กขึ้นอยู่กับจำนวนรอบของลวดและกระแสที่ไหลผ่าน ทั้งสองปัจจัยนำไปสู่การเกิดขึ้น แรงแม่เหล็ก หรือเรียกสั้นๆ ว่า MDS… แม่เหล็กถาวรสามารถสร้างแรงแม่เหล็กที่คล้ายกันได้

แรงแม่เหล็กทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กไหลในวงจรแม่เหล็กในลักษณะเดียวกับ แรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า

วงจรแม่เหล็กมีความคล้ายคลึงกับวงจรไฟฟ้าในบางลักษณะ แม้ว่าในวงจรไฟฟ้าจะมีการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุจริง ในขณะที่ในวงจรแม่เหล็กจะไม่มีการเคลื่อนที่ดังกล่าว อธิบายการกระทำของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่สร้างกระแสไฟฟ้า กฎของโอห์ม.

ความแรงของสนามแม่เหล็ก คือแรงเคลื่อนแม่เหล็กต่อหน่วยความยาวของวงจรแม่เหล็กที่สอดคล้องกัน การเหนี่ยวนำแม่เหล็กหรือความหนาแน่นของฟลักซ์มีค่าเท่ากับฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่หน่วยของวงจรแม่เหล็กที่กำหนด

ไม่เต็มใจ เป็นลักษณะของวงจรแม่เหล็กที่กำหนดความสามารถในการนำฟลักซ์แม่เหล็กเพื่อตอบสนองต่อการกระทำของแรงแม่เหล็ก

ความต้านทานไฟฟ้าในหน่วยโอห์มเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของเส้นทางการไหลของอิเล็กตรอน แปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัดของการไหลนี้ และยังแปรผกผันกับการนำไฟฟ้าซึ่งเป็นลักษณะที่อธิบายคุณสมบัติทางไฟฟ้า ของสสารที่ประกอบขึ้นเป็นบริเวณปัจจุบันของอวกาศ

ความต้านทานแม่เหล็กเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความยาวของเส้นทางของฟลักซ์แม่เหล็ก แปรผกผันกับพื้นที่หน้าตัดของฟลักซ์นี้ และยังแปรผกผันกับการซึมผ่านของแม่เหล็ก ซึ่งเป็นลักษณะที่อธิบายคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารของ ซึ่งเป็นช่องว่างที่ประกอบด้วยฟลักซ์แม่เหล็ก (ดู — กฎของโอห์มสำหรับวงจรแม่เหล็ก).

การซึมผ่านของแม่เหล็ก ลักษณะของสารที่แสดงความสามารถในการรักษาความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (ดู — การซึมผ่านของแม่เหล็ก).

เพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อนี้: สนามแม่เหล็กไฟฟ้า - ประวัติการค้นพบและคุณสมบัติทางกายภาพ