Электричество и магнетизм, основные определения, типы движущихся заряженных частиц

В основу «учения о магнетизме», как и большинства других дисциплин, положены очень немногочисленные и довольно простые понятия. Они достаточно просты по крайней мере с точки зрения того, «что они собой представляют», хотя несколько труднее объяснить, «почему они таковы». Принятые однажды как таковые, они могут использоваться в качестве основных строительных блоков для развития всей изучаемой дисциплины. В то же время они служат ориентирами при попытках объяснять наблюдаемые явления.

Во-первых, есть такое понятие, как «электрон». Электроны не просто существуют — их бессчетные количества присутствуют везде, куда бы мы ни бросили взгляд.

Электрон представляет собой объект с ничтожно малой массой, несущий единичный отрицательный электрический заряд и вращающийся относительно своей оси с некоторой постоянной скоростью. Одним из проявлений движения электронов являются электрические токи; иными словами, электрические токи «переносятся» электронами.

В-третьих, согласно представлениям Ампера любой движущийся электрон окружен магнитным полем. Поскольку электроны с собственным вращением — это движущиеся электроны, вокруг каждого электрона, обладающего спином, создается магнитное поле. Вследствие этого каждый электрон действует как микроминиатюрный постоянный магнит.

В-четвертых, согласно представлениям Лоренца на электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует определенная сила. Она является результатом взаимодействия внешнего поля и поля Ампера.

Наконец, вещество сохраняет свою целостность в пространстве благодаря силам притяжения между частицами, электрическое поле которых порождается их электрическим зарядом, а магнитное поле — их спином.

Все магнитные явления можно объяснить, исходя из движения частиц, обладающих как массой, так и электрическим зарядом. К возможным типам таких частиц относятся следующие:

Электрон представляет собой электрически заряженную частицу весьма малых размеров. Каждый электрон во всех отношениях идентичен любому другому электрону.

1. Электрон имеет отрицательный единичный заряд и ничтожно малую массу.

2. Масса всех электронов всегда остается постоянной, хотя кажущаяся масса подвержена изменениям в зависимости от условий окружающей среды.

3. Все электроны вращаются вокруг собственной оси — имеют спин с одной и той же постоянной угловой скоростью.

1. Дыркой называют определенное положение в кристаллической решетке, где мог бы находиться, но в данных условиях отсутствует электрон. Таким образом, дырка имеет положительный единичный заряд и ничтожно малую массу.

2. Движением дырки вызывается движение электрона в противоположном направлении. Следовательно, дырка имеет точно такую же массу и такой же спин, как и электрон, движущийся в противоположную сторону.

Протон — это частица, значительно превышающая по размерам электрон и обладающая электрическим зарядом, который в точности равен по абсолютной величине заряду электрона, но имеет противоположную полярность. Понятие противоположной полярности определяется следующими противоположными явлениями: электрон и протон испытывают по отношению один к другому силу притяжения, тогда как два электрона или два протона отталкиваются один от другого.

В соответствии с соглашением, принятым в экспериментах Бенджамина Франклина, заряд электрона считают отрицательным, а заряд протона — положительным. Поскольку все другие электрически заряженные тела несут электрические заряды либо положительные, либо отрицательные, значения которых всегда являются в точности кратными заряду электрона, последний используют в качестве «единичного значения» при описании данного явления.

1. Протон представляет собой ион с положительным единичным зарядом и единичной молекулярной массой.

2. Положительный единичный заряд протона точно совпадает по абсолютной величине с отрицательным единичным зарядом электрона, однако масса протона во много раз превышает массу электрона.

3. Все протоны вращаются вокруг собственной оси (имеют спин) с одной и той же угловой скоростью, которая намного меньше, чем угловая скорость вращения электронов.

1. Положительные ионы обладают различными зарядами, значения которых являются целыми, кратными заряду протона, и различными массами, значения которых состоят из целого, кратного массе протона, и некоторой дополнительной массы субатомных частиц.

2. Только ионы с нечетным числом нуклонов обладают спином.

3. Ионы с разными массами вращаются с разными угловыми скоростями.

1. Существуют разновидности отрицательных ионов, совершенно аналогичные положительным ионам, но несущие отрицательный, а не положительный заряд.

Любые из указанных частиц в любых сочетаниях могут двигаться по различным прямолинейным или криволинейным траекториям с различными скоростями. Совокупность одинаковых частиц, движущихся более или менее единой группой, называют пучком.

Каждая частица в пучке имеет массу, направление и скорость движения, близкие к соответствующим параметрам соседних частиц. Однако при более общих условиях скорости отдельных частиц пучка различаются, подчиняясь закону распределения Максвелла.

Доминирующую роль для возникновения магнитных явлений при этом играют частицы, скорость которых близка к средней скорости пучка, а частицы с другими скоростями порождают эффекты второго порядка.

Если основное внимание уделяется именно скорости движения частиц, то частицы, движущиеся с высокой скоростью, называют горячими, а частицы, движущиеся с низкой скоростью — холодными. Эти определения являются относительными, т. е. не отражают каких-либо абсолютных скоростей.

Основные законы и определения

Имеется два различных определения магнитного поля: магнитное поле — это область в окрестности движущихся электрических зарядов, где проявляются магнитные силы. Любая область, в которой электрически заряженное тело испытывает действие силы при своем движении, содержит магнитное поле.

Если множество малых электрически заряженных частиц непрерывно проходит через один и тот же участок траектории с постоянной скоростью, то суммарный эффект от отдельных движущихся магнитных полей каждой частицы сводится к образованию постоянного магнитного поля, известного под названием поля Био-Савара.

Частный случай закона Ампера, получивший название закона Био-Савара, определяет величину напряженности магнитного поля на заданном расстоянии от бесконечно длинного прямолинейного проводника, по которому течет электрический ток (закон Био-Савара).

Итак, магнитное поле имеет определенную напряженность. Чем больше движущийся электрический заряд, тем сильнее результирующее магнитное поле. Кроме того, чем быстрее движется электрический заряд, тем сильнее магнитное поле.

Неподвижный электрический заряд не порождает никакого магнитного поля. Фактически магнитное поле не может существовать независимо от наличия движущегося электрического заряда.

Закон Лоренца определяет силу, действующую на движущуюся электрически заряженную частицу в магнитном поле. Сила Лоренца направлена перпендикулярно и направлению внешнего поля, и направлению движения частицы. Возникает «боковое усилие», действующее на заряженные частицы, когда они движутся под прямым углом к магнитным силовым линиям.

Тело с «магнитным зарядом», находящееся во внешнем магнитном поле, испытывает действие силы, которая стремится переместить тело из положения, в котором оно усиливает внешнее поле, в такое положение, в котором оно ослабляло бы внешнее поле. В этом проявляется следующий принцип: все системы стремятся прийти в состояние, характеризующееся минимальной энергией.

Правило Ленца гласит: «Если траектория движущейся заряженной частицы изменяется каким бы то ни было образом в результате взаимодействия частицы с магнитным полем, то эти изменения приводят к возникновению нового магнитного поля, прямо противоположного тому магнитному полю, которое вызвало эти изменения».

Способность соленоида создавать магнитный поток, «текущий» по магнитной цепи, зависит как от числа витков проволоки, так и от тока, текущего в них. Оба фактора приводят к возникновению магнитодвижущей силы, или сокращенно МДС. Постоянные магниты могут создавать аналогичную магнитодвижущую силу.

Магнитодвижущая сила заставляет магнитный поток течь в магнитной цепи точно так же, как электродвижущая сила (ЭДС) обеспечивает течение электрического тока в электрической цепи.

Магнитные цепи в некотором отношении аналогичны, электрическим цепям, хотя в электрических цепях происходит реальное движение заряженных частиц, а в магнитных цепях такого движения нет. Действие электродвижущей силы, порождающей электрический ток, описывается законом Ома.

Напряженность магнитного поля — это магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины соответствующей магнитной цепи. Магнитная индукция, или плотность потока, равна магнитному потоку, проходящему через единичную площадь данной магнитной цепи.

Магнитное сопротивление — это характеристика конкретной магнитной цепи, определяющая ее способность проводить магнитный поток в ответ на действие магнитодвижущей силы.

Электрическое сопротивление Ома прямо пропорционально длине пути потока электронов, обратно пропорционально площади поперечного сечения этого потока и также обратно пропорционально удельной электрической проводимости — характеристике, описывающей электрические свойства вещества, из которого состоит токонесущая область пространства.

Источник

Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики

Огромное множество физических явлений как микроскопического, так и макроскопического характера имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм, оптика.

Одно из таких проявлений электромагнитного взаимодействия – упорядоченное движение заряженных частиц. Оно представляет собой совершенно необходимый элемент практически всех современных технологий, находящих применение в самых различных областях – от организации нашего быта до космических полетов.

Общее понятие о феномене

Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Такое перемещение зарядов может осуществляться в разных средах посредством тех или иных частиц, иногда – квазичастиц.

Вам будет интересно: Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции

При движении какого-либо тела, в целом электрически нейтрального, частицы в составе его атомов и молекул, конечно, движутся направленно, но, поскольку разноименные заряды в нейтральном объекте компенсируют друг друга, никакого переноса заряда нет, и говорить о токе в этом случае также не имеет смысла.

Как возникает ток

Рассмотрим простейший вариант возбуждения постоянного тока. Если к среде, где в общем случае присутствуют носители зарядов, приложить электрическое поле, в ней начнется упорядоченное движение заряженных частиц. Явление называется дрейфом зарядов.

Вкратце его можно описать следующим образом. В различных точках поля возникает разность потенциалов (напряжение), то есть энергия взаимодействия электрических зарядов, расположенных в этих точках, с полем, отнесенная к величине этих зарядов, будет различной. Поскольку всякая физическая система, как известно, стремится к минимуму потенциальной энергии, отвечающему равновесному состоянию, заряженные частицы начнут движение, направленное к выравниванию потенциалов. Иначе говоря, поле совершает некоторую работу по перемещению этих частиц.

Вам будет интересно: Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и процессы развития

Когда потенциалы выравниваются, обращается в нуль напряженность электрического поля – оно исчезает. Вместе с тем прекращается и упорядоченное движение заряженных частиц – ток. Для того чтобы получить стационарное, то есть не зависящее от времени, поле, необходимо использовать источник тока, в котором, благодаря выделению энергии в тех или иных процессах (например, химических), заряды непрерывно разделяются и поступают на полюса, поддерживая существование электрического поля.

Ток можно получать различными способами. Так, изменение магнитного поля воздействует на заряды во внесенном в него проводящем контуре и вызывает их направленное движение. Такой ток называется индукционным.

Количественные характеристики тока

Направление тока и направление дрейфа

Вам будет интересно: Решетнев Михаил Федорович: биография, личная жизнь, разработка космических систем и награды

В электрическом поле объекты, переносящие заряд, под действием кулоновских сил будут совершать к противоположному по знаку заряда полюсу источника тока упорядоченное движение. Частицы, заряженные положительно, дрейфуют в сторону отрицательного полюса («минуса») и, наоборот, свободные отрицательные заряды притягиваются к «плюсу» источника. Частицы могут перемещаться и в двух противоположных направлениях сразу, если в проводящей среде присутствуют носители зарядов обоих знаков.

По историческим причинам принято считать, что ток направлен так, как движутся положительные заряды – от «плюса» к «минусу». Чтобы избежать путаницы, следует помнить, что хотя в наиболее знакомом всем нам случае тока в металлических проводниках реальное перемещение частиц – электронов – происходит, конечно, в обратном направлении, указанное условное правило действует всегда.

Распространение тока и дрейфовая скорость

Частицы же совершают свое упорядоченное движение очень медленно (10-4–10-3 м/с). Дрейфовая скорость зависит от напряженности, с которой действует на них приложенное электрическое поле, но во всех случаях она на несколько порядков уступает скорости теплового беспорядочного движения частиц (105–106 м/с). Важно понимать, что под действием поля начинается одновременный дрейф всех свободных зарядов, поэтому ток возникает сразу во всем проводнике.

Виды тока

В первую очередь токи различают по поведению носителей заряда во времени.

Помимо этой важнейшей классификации, различия между токами можно проводить и по такому критерию, как характер движения носителей заряда по отношению к среде, в которой ток распространяется.

Токи проводимости

Наиболее известный пример тока – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля внутри какого-либо тела (среды). Оно именуется током проводимости.

В твердых телах (металлы, графит, многие сложные материалы) и некоторых жидкостях (ртуть и другие расплавы металлов) электроны являются подвижными заряженными частицами. Упорядоченное движение в проводнике – это их дрейф относительно атомов или молекул вещества. Проводимость такого рода называют электронной. В полупроводниках перенос зарядов также происходит за счет движения электронов, но по ряду причин удобно пользоваться для описания тока понятием дырки – положительной квазичастицы, представляющей собой перемещающуюся электронную вакансию.

В электролитических растворах прохождение тока осуществляется за счет движущихся к разным полюсам – аноду и катоду – отрицательных и положительных ионов, входящих в состав раствора.

Токи переноса

Газ – в обычных условиях диэлектрик – также может стать проводником, если подвергнуть его достаточно сильной ионизации. Газовая электропроводность носит смешанный характер. Ионизированный газ уже представляет собой плазму, в которой перемещаются и электроны, и ионы, то есть все заряженные частицы. Упорядоченное движение их формирует плазменный канал и называется газовым разрядом.

Направленное перемещение зарядов может происходить не только внутри среды. Допустим, в вакууме движется пучок электронов или ионов, испускаемых с положительного или отрицательного электрода. Это явление носит название электронной эмиссии и широко используется, к примеру, в вакуумных приборах. Безусловно, такое движение представляет собой ток.

Еще один случай – перемещение электрически заряженного макроскопического тела. Это – тоже ток, поскольку подобная ситуация удовлетворяет условию направленного переноса зарядов.

Все приведенные примеры необходимо рассматривать как упорядоченное движение заряженных частиц. Называется такой ток конвекционным или током переноса. Его свойства, например, магнитные, совершенно аналогичны таковым у токов проводимости.

Ток смещения

Существует явление, не имеющее отношения к переносу зарядов и возникающее там, где наличествует изменяющееся во времени электрическое поле, которое обладает свойством, присущим «настоящим» токам проводимости или переноса: оно возбуждает переменное магнитное поле. Это происходит, например, в цепях переменного тока между обкладок конденсаторов. Явление сопровождается передачей энергии и называется током смещения.

По сути, данная величина показывает, как быстро изменяется индукция электрического поля на некоторой поверхности, перпендикулярной к направлению ее вектора. Понятие электрической индукции включает в себя векторы напряженности поля и поляризации. В вакууме учитывается только напряженность. Что же касается электромагнитных процессов в веществе, то поляризация молекул или атомов, в которых при воздействии поля имеет место движение связанных (не свободных!) зарядов, вносит некоторый вклад в ток смещения в диэлектрике или проводнике.

Название возникло в XIX веке и носит условный характер, так как действительный электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ток смещения с дрейфом зарядов никак не связан. Поэтому он, строго говоря, током не является.

Проявления (действия) тока

Упорядоченное движение заряженных частиц всегда сопровождается теми или иными физическими явлениями, по которым, собственно, и можно судить о том, протекает данный процесс или нет. Можно разделить такие явления (действия тока) на три основных группы:

За исключением случаев, когда упорядоченное движение заряженных частиц является предметом научных исследований, оно интересует человека в своих макроскопических проявлениях. Важен для нас не ток сам по себе, а перечисленные выше явления, которое он вызывает, благодаря превращениям электрической энергии в другие виды.

Все действия тока играют двоякую роль в нашей жизни. В одних случаях от них необходимо защищать людей и технику, в других – получение того или иного эффекта, вызываемого направленным переносом электрических зарядов, является прямым назначением самых разнообразных технических устройств.

Источник

Конспект урока «Проводники и диэлектрики в электрическом поле»

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Тема : Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Цель урока: разделить все вещества по уровню подвижности заряженных частиц; рассмотреть свойства проводников и диэлектриков в электрическом поле.

2. Проверка знаний. Выполнение теста «Закон Кулона. Напряженность»

3. Изучение нового материала

Электрическое поле в веществе

На силу взаимодействия между заряженными частицами существенно влияет среда, в которой они находятся. Согласно закону Кулона в среде сила взаимодействия всегда меньше, чем в вакууме. Любая среда ослабляет напряженность поля.

? Вспомните строение металлов с точки зрения электронной теории

Все вещества по уровню подвижности заряженных частиц делятся на 3 группы:

Подвижность заряженных частиц определяется строением атомов вещества и их взаимным расположением.

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму.

Проводники делятся на 2 группы :

Проводники первого рода (металлы) – перенесение в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

Напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю ( доказывается от противного вместе с учениками с помощью наводящих вопросов:

что создает напряженность?

свободные заряды создают электрическое поле?

что возникает при постоянной напряженности внутри проводника?

в проводнике всегда внутри есть электрический ток?

Вывод: внутри проводника напряженность электрического поля равна нулю.

Диэлектрики – тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды (стекло, пластмасса)

Диэлектрики делятся на 2 группы:

Полярные молекулы – молекулы, которые в отсутствии внешнего электрического поля обладаю дипольным моментом (они имеют ассиметричное строение: центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают). При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю.

Неполярные диэлектрики состоят из неполярных молекул ( N , H , O , CO )

Неполярные молекулы – молекулы, имеющие симметричное строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего электрического поля совпадают и дипольный момент молекулы равен нулю.

Напряженность электрического поля внутри диэлектрика равна нулю.

Проводники в электрическом поле

Любой нейтральный металлический предмет притягивается как к положительно заряженным телам, так и к отрицательно заряженным телам. При разделении такого тела на две части перпендикулярно линиям напряженности электрического поля обе части оказываются электрически заряженными, их заряды равны по модулю и противоположны по знаку. Часть тела, ближе расположенная к положительному заряду, создающему электрическое поле, оказывается заряженной отрицательно, противоположная часть заряжена положительно.

Такой результат воздействия электрического поля на тела из металлов называется электростатической индукцией.

Явление разделения зарядов проводника в электрическом поле называется электростатической индукцией.

Электростатическая индукция объясняется наличием в металлах свободных электронов, способных перемещаться внутри тела под действием внешнего электрического поля.

Под действием внешнего поля свободные заряды в проводнике перемещаются до тех пор, пока возникшее в результате перераспределение зарядов электрическое поле не компенсирует действие внешнего электрического поля.

Диэлектрики в электрическом поле

При помещении диэлектрика в электрическое поле между разноименно заряженными пластинами все диполи в диэлектрике поворачиваются положительными зарядами к отрицательно заряженной пластине и отрицательными зарядами к положительно заряженной пластине. Пластина диэлектрика остается в целом нейтральной, но её поверхности покрыты противоположными по знаку связанными зарядами. Эти заряды создают электрическое поле, направленное противоположно внешнему электрическому полю, в результате напряженность электрического поля в диэлектрике уменьшается.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется и его молекулы можно рассматривать как электрические диполи.

Поляризация диэлектрика – процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Отношение модуля напряженности Е электрического поля в вакууме к модулю напряженности Е электрического поля в однородном диэлектрике называется диэлектрической проницаемостью вещества:

.

В среде с диэлектрической проницаемостью кулоновская сила взаимодействия точечных электрических зарядов убывает в раз:

F = k .

4. Закрепление материала

На какие группы по уровню подвижности электрических зарядов делятся все вещества?

Чем определяется эта подвижность заряженных частиц в среде?

Какие заряды называют свободными?

Какие вещества называют проводниками?

Какие вещества называют диэлектриками?

В чем заключается явление электризации проводников в электрическом поле?

Почему напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю?

Что называют электростатической защитой?

Каков механизм поляризации диэлектрика?

Что называется диэлектрической проницаемостью?

Решение задач: №725 сб.задач Рымкевич

5. Подведение итогов.

Домашнее задание: §95,96,97, № 722 сб.задач Рымкевич

Источник