Electricidad y magnetismo, definiciones básicas, tipos de partículas cargadas en movimiento
La "ciencia del magnetismo", como la mayoría de las otras disciplinas, se basa en conceptos muy pocos y bastante simples. Son bastante simples, al menos en términos de "qué son", aunque es un poco más difícil explicar "por qué son". Una vez aceptados como tales, pueden utilizarse como bloques de construcción básicos para el desarrollo de toda una disciplina de estudio. Al mismo tiempo, sirven como pautas en los intentos de explicar los fenómenos observados.
En primer lugar, existe tal cosa como "electrón"… Los electrones no solo existen, son innumerables dondequiera que miremos.
Electrón es un objeto de masa despreciable que lleva una unidad de carga eléctrica negativa y gira alrededor de su eje a cierta velocidad constante. Una de las manifestaciones del movimiento de los electrones son las corrientes eléctricas; en otras palabras, las corrientes eléctricas son "transportadas" por electrones.
En segundo lugar, existe tal cosa como "campo"que se puede utilizar para transmitir energía a través de lo que de otro modo sería un espacio vacío.En este sentido, existen tres tipos principales de campos: gravitacional, eléctrico y magnético (ver — Diferencias entre campo eléctrico y magnético.).
Tercero, según las ideas de Ampere cada electrón en movimiento está rodeado por un campo magnético… Dado que solo los electrones de espín son electrones en movimiento, se crea un campo magnético alrededor de cada electrón con espín. En consecuencia, cada electrón actúa como una microminiatura. imán permanente.
Cuarto, según las ideas de Lorentz una cierta fuerza actúa sobre una carga eléctrica que se mueve en un campo magnético… Es el resultado de la interacción del campo externo y el campo de Ampere.
Finalmente, la materia conserva su integridad en el espacio gracias a fuerzas atractivas entre partículas, cuyo campo eléctrico es generado por su carga eléctrica, y el campo magnético — su rotación.
Todos los fenómenos magnéticos pueden explicarse sobre la base del movimiento de partículas que tienen tanto masa como carga eléctrica. Los posibles tipos de tales partículas incluyen los siguientes:
electrones
Un electrón es una partícula cargada eléctricamente de tamaño muy pequeño. Cada electrón es idéntico en todos los aspectos a cualquier otro electrón.
1. Un electrón tiene una unidad de carga negativa y una masa despreciable.
2. La masa de todos los electrones siempre permanece constante, aunque la masa aparente está sujeta a cambios según las condiciones ambientales.
3. Todos los electrones giran sobre su propio eje: tienen un giro con la misma velocidad angular constante.
Agujeros
1. Un agujero se llama una cierta posición en la red cristalina, donde podría estar, pero en estas condiciones no hay ningún electrón. Por lo tanto, el agujero tiene una unidad de carga positiva y una masa despreciable.
2.El movimiento del hueco hace que el electrón se mueva en la dirección opuesta. Por lo tanto, un hueco tiene exactamente la misma masa y el mismo espín que un electrón que se mueve en dirección opuesta.
protones
Un protón es una partícula que es mucho más grande que un electrón y tiene una carga eléctrica que es absolutamente igual en valor absoluto a la carga de un electrón, pero tiene la polaridad opuesta. El concepto de polaridad opuesta se define por los siguientes fenómenos opuestos: un electrón y un protón experimentan una fuerza de atracción entre sí, mientras que dos electrones o dos protones se repelen entre sí.
De acuerdo con la convención adoptada en los experimentos de Benjamin Franklin, la carga del electrón se considera negativa y la carga del protón es positiva. Dado que todos los demás cuerpos cargados eléctricamente llevan cargas eléctricas, positivas o negativas, cuyos valores son siempre múltiplos exactos de la carga del electrón, esta última se utiliza como "valor unitario" al describir este fenómeno.
1. Un protón es un ion con una unidad de carga positiva y un peso molecular unitario.
2. La carga unitaria positiva del protón coincide absolutamente en valor absoluto con la carga unitaria negativa del electrón, pero la masa del protón es muchas veces mayor que la masa del electrón.
3. Todos los protones giran alrededor de su propio eje (tienen espín) con la misma velocidad angular, que es mucho menor que la velocidad angular de rotación de los electrones.
Ver también: La estructura de los átomos: partículas elementales de materia, electrones, protones, neutrones.
Iones positivos
1.Los iones positivos tienen diferentes cargas cuyos valores son un múltiplo entero de la carga del protón, y diferentes masas cuyos valores consisten en un múltiplo entero de la masa del protón y alguna masa adicional de partículas subatómicas.
2. Solo los iones con un número impar de nucleones tienen espín.
3. Los iones de diferentes masas giran con diferentes velocidades angulares.
Iones negativos
1. Hay variedades de iones negativos, completamente análogos a los iones positivos, pero que llevan una carga negativa en lugar de positiva.
Cada una de estas partículas, en cualquier combinación, puede moverse a lo largo de diferentes caminos rectos o curvos a diferentes velocidades. Una colección de partículas idénticas que se mueven más o menos como un grupo se llama haz.
Cada partícula en el haz tiene una masa, dirección y velocidad de movimiento cercanas a los parámetros correspondientes de las partículas vecinas. Sin embargo, bajo condiciones más generales, las velocidades de las partículas individuales en el haz difieren, obedeciendo la ley de distribución de Maxwell.
En este caso, el papel dominante en la aparición de los fenómenos magnéticos lo juegan las partículas cuya velocidad es cercana a la velocidad media del haz, mientras que las partículas con otras velocidades generan efectos de segundo orden.
Si se presta la atención principal a la velocidad de movimiento de las partículas, las partículas que se mueven a alta velocidad se llaman calientes y las partículas que se mueven a baja velocidad se llaman frías. Estas definiciones son relativas, es decir, no reflejan velocidades absolutas.
Leyes básicas y definiciones
Hay dos definiciones diferentes de campo magnético: campo magnético — Esta es un área cerca de cargas eléctricas en movimiento donde se ejercen fuerzas magnéticas.Cualquier región donde un cuerpo cargado eléctricamente experimenta una fuerza mientras se mueve contiene un campo magnético.
Una partícula cargada eléctricamente está rodeada campo eléctrico… Una partícula cargada eléctricamente en movimiento tiene un campo magnético junto con uno eléctrico. La ley de Ampere establece la relación entre las cargas en movimiento y los campos magnéticos (ver — ley de amperio).
Si muchas partículas pequeñas cargadas eléctricamente pasan continuamente a través de la misma parte de la trayectoria a una velocidad constante, entonces el efecto total de los campos magnéticos individuales en movimiento de cada partícula equivale a la formación de un campo magnético permanente conocido como campos de Bio Savara.
Caso especial ley de amperio, llamada ley de Bio-Savard, determina la magnitud de la fuerza del campo magnético a una distancia dada de un alambre recto infinitamente largo a través del cual fluye una corriente eléctrica (Ley de Biot-Savard).
Entonces, el campo magnético tiene cierta fuerza. Cuanto mayor sea la carga eléctrica en movimiento, más fuerte será el campo magnético resultante. Además, cuanto más rápido se mueve la carga eléctrica, más fuerte es el campo magnético.
Una carga eléctrica estacionaria no genera ningún campo magnético. De hecho, un campo magnético no puede existir independientemente de la presencia de una carga eléctrica en movimiento.
La ley de Lorentz define la fuerza que actúa sobre una partícula cargada eléctricamente en movimiento en un campo magnético. Fuerza de Lorentz dirigida perpendicularmente tanto a la dirección del campo externo como a la dirección de movimiento de la partícula. Hay una "fuerza lateral" que actúa sobre las partículas cargadas cuando se mueven en ángulo recto con las líneas del campo magnético.
Un cuerpo "cargado magnéticamente" en un campo magnético externo experimenta una fuerza que tiende a mover el cuerpo desde una posición donde fortalece el campo externo a una posición donde el campo externo se debilitaría. Esta es la manifestación del siguiente principio: todos los sistemas tienden a alcanzar un estado caracterizado por un mínimo de energía.
regla de Lenz afirma: "Si la trayectoria de una partícula cargada en movimiento cambia de alguna manera como resultado de la interacción de la partícula con un campo magnético, entonces estos cambios conducen a la aparición de un nuevo campo magnético exactamente opuesto al campo magnético que causó estos cambios. «
La capacidad de un solenoide para crear un flujo magnético "fluido" a través de un circuito magnético depende tanto del número de vueltas del cable como de la corriente que fluye a través de ellas. Ambos factores conducen a la aparición fuerza magnetomotriz o MDS para abreviar… Los imanes permanentes pueden crear una fuerza magnetomotriz similar.
La fuerza magnetomotriz hace que el flujo magnético fluya en el circuito magnético de la misma manera que fuerza electromotriz (FEM) asegura el flujo de corriente eléctrica en un circuito eléctrico.
Los circuitos magnéticos son en cierto modo análogos a los circuitos eléctricos, aunque en los circuitos eléctricos existe un movimiento real de partículas cargadas, mientras que en los circuitos magnéticos no existe tal movimiento. Se describe la acción de la fuerza electromotriz que genera una corriente eléctrica. Ley de Ohm.
Intensidad del campo magnético Es la fuerza magnetomotriz por unidad de longitud del circuito magnético correspondiente. La inducción magnética o densidad de flujo es igual al flujo magnético que pasa por una unidad de área de un circuito magnético dado.
Reluctancia Es una característica de un determinado circuito magnético que determina su capacidad para conducir flujo magnético en respuesta a la acción de una fuerza magnetomotriz.
La resistencia eléctrica en ohmios es directamente proporcional a la longitud del camino del flujo de electrones, inversamente proporcional al área de la sección transversal de este flujo, y también inversamente proporcional a la conductividad eléctrica, característica que describe las propiedades eléctricas. de la sustancia que constituye la región del espacio portadora de corriente.
La resistencia magnética es directamente proporcional a la longitud del camino del flujo magnético, inversamente proporcional al área de la sección transversal de este flujo, y también inversamente proporcional a la permeabilidad magnética, característica que describe las propiedades magnéticas de la sustancia de que se compone el espacio que transporta el flujo magnético (ver — Ley de Ohm para un circuito magnético.).
Permeabilidad magnética Una característica de una sustancia que expresa su capacidad para mantener una cierta densidad de flujo magnético (ver — Permeabilidad magnética).
Más sobre este tema: Campo electromagnético - historia del descubrimiento y propiedades físicas