Hva er tre likheter mellom magneter og elektrisitet?

Innhold

• 1 - De kommer i to motsatte varianter
• 2 - Deres relative styrke sammenlignet med andre krefter
• 3 - Elektrisitet og magnetisme er to sider av samme fenomen
• Elektriske og magnetiske felt
• Så hvor kommer egentlig magnetisme fra?
• Nåværende bærende ledninger Lag et magnetfelt
• Men hva med stavmagneter? Hvor kommer magnetismen deres fra?
• Men vent, det er mer!
• Likheter mellom magnetisk kraft og elektrisk kraft
• Forholdet mellom elektrisitet og magnetisme

Elektriske og magnetiske krefter er to krefter som finnes i naturen. Selv om de ved første øyekast kan virke forskjellige, stammer de begge fra felt assosiert med ladede partikler. De to styrkene har tre viktigste likheter, og du bør lære mer om hvordan disse fenomenene oppstår.

1 - De kommer i to motsatte varianter

Kostnader kommer i positive (+) og negative (-) varianter. Den grunnleggende positive ladningsbæreren er protonen og den negative ladningsbæreren er elektronet. Begge har en ladning i størrelsesorden e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Motsetninger tiltrekker seg og liker å frastøte; to positive ladninger plassert i nærheten av hverandre vil drive tilbake, eller opplev en styrke som skyver dem fra hverandre. Det samme gjelder to negative anklager. En positiv og negativ belastning vil imidlertid tiltrekke hverandre.

Attraksjonen mellom positive og negative ladninger er det som har en tendens til å gjøre de fleste elementer elektrisk nøytrale. Fordi det er like mange positive som negative ladninger i universet, og de attraktive og frastøtende kreftene virker slik de gjør, har anklagene en tendens til nøytralisere, eller avbryt hverandre.

Magneter har på samme måte nord- og sørpoler. To magnetiske nordpoler vil avvise hverandre, i likhet med to magnetiske sørpoler, men en nordpol og sørpol vil tiltrekke hverandre.

Legg merke til at et annet fenomen som du sannsynligvis er kjent med, tyngdekraften, ikke er som dette. Tyngdekraften er en attraktiv kraft mellom to masser. Det er bare en “type” masse. Det kommer ikke i positive og negative varianter som elektrisitet og magnetisme. Og denne ene typen masse er alltid attraktiv og ikke frastøtende.

Det er imidlertid en tydelig forskjell mellom magneter og ladninger ved at magneter alltid fremstår som en dipol. Det vil si at enhver gitt magnet alltid vil ha en nord- og sørpol. De to polene kan ikke skilles.

En elektrisk dipol kan også opprettes ved å plassere en positiv og negativ ladning med litt avstand fra hverandre, men det er alltid mulig å skille disse ladningene igjen. Hvis du forestiller deg en stangmagnet med sine nord- og sørpoler, og du skulle prøve å skjære den i to for å lage en egen nord- og sørpol, ville resultatet i stedet være to mindre magneter, begge med sine egne nord- og sørpoler.

2 - Deres relative styrke sammenlignet med andre krefter

Hvis vi sammenligner elektrisitet og magnetisme med andre krefter, ser vi noen tydelige forskjeller. De fire grunnleggende kreftene i universet er de sterke, elektromagnetiske, svake og gravitasjonskreftene. (Merk at elektriske og magnetiske krefter er beskrevet av det samme ordet - mer om dette på litt.)

Hvis vi anser den sterke kraften - kraften som holder nukleoner sammen inne i et atom - for å ha en styrke på 1, har elektrisitet og magnetisme en relativ styrke på 1/137. Den svake kraften - som er ansvarlig for beta-forfall - har en relativ størrelse på 10^-6, og tyngdekraften har en relativ styrke på 6 × 10^-39.

Du leste det riktig. Det var ikke en skrivefeil. Tyngdekraften er ekstremt wimpy sammenlignet med alt annet. Dette kan virke motsatt - tross alt er tyngdekraften kraften som holder planeter i bevegelse og holder føttene våre på bakken! Men vurder hva som skjer når du plukker opp en binders med en magnet eller et vev med statisk elektrisitet.

Kraften som trekker opp den ene lille magneten eller statisk ladede gjenstand, kan motvirke gravitasjonskraften til hele jorden som trekker på binderset eller vevet! Vi tenker på tyngdekraften som å være så mye kraftigere ikke fordi den er det, men fordi vi har tyngdekraften fra en hel jordklode som alltid virker på oss, mens ladninger og magneter på grunn av deres binære natur ofte ordner seg slik at de er nøytralisert.

3 - Elektrisitet og magnetisme er to sider av samme fenomen

Hvis vi ser nærmere på og virkelig sammenligner elektrisitet og magnetisme, ser vi at de på et grunnleggende nivå er to aspekter av det samme fenomenet som kalles elektromagnetisme. La oss få en dypere forståelse av begrepene før vi beskriver dette fenomenet.

Elektriske og magnetiske felt

Hva er et felt? Noen ganger er det nyttig å tenke på noe som virker mer kjent. Tyngdekraft, som elektrisitet og magnetisme, er også en kraft som skaper et felt. Se for deg området med rom rundt jorden.

Enhver gitt masse i rommet vil føle en styrke som avhenger av størrelsen på massen og avstanden fra Jorden. Så vi ser for oss at rommet rundt Jorden inneholder en felt, det vil si en verdi tildelt hvert punkt i rommet som gir en viss indikasjon på hvor relativt stor, og i hvilken retning, en tilsvarende kraft ville være. Omfanget av gravitasjonsfeltet et stykke r fra masse M, er for eksempel gitt med formelen:

E = {GM over {1pt} r ^ 2}

Hvor G er den universelle gravitasjonskonstanten 6.67408 × 10^-11 m³/ (kg²). Retningen assosiert med dette feltet på et gitt punkt ville være en enhetsvektor som peker mot sentrum av jorden.

Elektriske felt fungerer på samme måte. Størrelsen på det elektriske feltet på avstand r fra poengladning q er gitt med formelen:

E = {kq over {1pt} r ^ 2}

Hvor k er Coulomb-konstanten 8,99 × 10⁹ nm²/ C². Retningen til dette feltet på et gitt punkt er mot ladningen q hvis q er negativ, og borte fra lading q hvis q er positivt.

Merk at disse feltene overholder en omvendt firkantet lov, så hvis du beveger deg dobbelt så langt unna, blir feltet en fjerdedel så sterk. For å finne det elektriske feltet som genereres av flere punktladninger, eller en kontinuerlig fordeling av ladningen, ville vi ganske enkelt finne superposisjonen eller utføre en integrasjon av distribusjonen.

Magnetfelt er litt vanskeligere fordi magneter alltid kommer som dipoler. En størrelse på magnetfeltet er ofte representert med bokstaven B, og den nøyaktige formelen for det avhenger av situasjonen.

Så hvor kommer egentlig magnetisme fra?

Forholdet mellom elektrisitet og magnetisme var ikke tydelig for forskere før flere hundre år etter de første oppdagelsene. Noen sentrale eksperimenter som utforsket samspillet mellom de to fenomenene førte til slutt til forståelsen vi har i dag.

Nåværende bærende ledninger Lag et magnetfelt

På begynnelsen av 1800-tallet oppdaget forskere først at en magnetisk kompassnål kunne avbøyes når den holdes i nærheten av en ledningsstrøm. Det viser seg at en strømførende ledning skaper et magnetfelt. Dette magnetfeltet en avstand r fra en uendelig lang ledningsstrøm Jeg er gitt med formelen:

B = { mu_0 I over {1pt} 2 pi r}

Hvor μ₀ er vakuumgjennomtrengeligheten 4_π_ × 10^-7 N / A². Retningen til dette feltet er gitt av høyre håndregel - pek tommelen på høyre hånd i strømretningen, og deretter vikler fingrene rundt ledningen i en sirkel som indikerer retningen til magnetfeltet.

Denne oppdagelsen førte til opprettelse av elektromagneter. Se for deg å ta en strømførende ledning og pakke den inn i en spole. Retningen til det resulterende magnetfeltet vil se ut som dipolfeltet til en stangmagnet!

••• pixabay

Men hva med stavmagneter? Hvor kommer magnetismen deres fra?

Magnetisme i en stangmagnet genereres av bevegelsen til elektronene i atomene som utgjør den. Den bevegelige ladningen i hvert atom skaper et lite magnetfelt. I de fleste materialer er disse feltene orientert hver vei, noe som resulterer i ingen betydelig nettomagnetisme. Men i visse materialer, for eksempel jern, tillater materialkomposisjonen at disse feltene alle blir på linje.

Så magnetisme er virkelig en manifestasjon av strøm!

Men vent, det er mer!

Det viser seg at ikke bare magnetisme skyldes elektrisitet, men elektrisitet kan genereres fra magnetisme. Denne oppdagelsen ble gjort av Michael Faraday. Rett etter oppdagelsen av at elektrisitet og magnetisme var relatert, fant Faraday en måte å generere strøm i en trådspole ved å variere magnetfeltet som går gjennom midten av spolen.

Faradays lov oppgir at strømmen indusert i en spole vil strømme i en retning som motsetter seg endringen som forårsaket den. Det som menes med dette er at den induserte strømmen vil strømme i en retning som genererer et magnetfelt som motsetter seg det skiftende magnetfeltet som forårsaket det. I hovedsak prøver den induserte strømmen ganske enkelt å motvirke eventuelle feltendringer.

Så hvis det eksterne magnetfeltet peker inn i spolen og deretter øker i størrelsesorden, vil strømmen flyte i en slik retning for å lage et magnetfelt som peker ut av løkken for å motvirke denne endringen. Hvis det eksterne magnetfeltet peker inn i spolen og avtar i størrelsesorden, vil strømmen strømme i en slik retning for å lage et magnetfelt som også peker inn i spolen for å motvirke endringen.

Faradays oppdagelse førte til teknologien bak dagens kraftgeneratorer. For å generere strøm, må det være en måte å variere magnetfeltet som går gjennom en spiral av wire. Du kan tenke deg å snu en trådspole i nærvær av et sterkt magnetfelt for å gjennomføre denne endringen. Dette gjøres ofte ved hjelp av mekaniske midler, for eksempel som at en turbin blir flyttet av vind eller rennende vann.

••• pixabay

Likheter mellom magnetisk kraft og elektrisk kraft

Likhetene mellom magnetisk kraft og elektrisk kraft er mange. Begge styrkene opptrer på anklager og har sitt opphav i det samme fenomenet. Begge krefter har sammenlignbare styrker, som beskrevet ovenfor.

Elektrisk kraft på lading q grunnet felt E er gitt av:

Vec {F} = q vec {E}

Den magnetiske kraften på ladning q beveger seg med hastighet v grunnet felt B er gitt av Lorentz-kraftloven:

vec {F} = q vec {v} ganger vec {B}

En annen formulering av dette forholdet er:

vec {F} = vec {I} L times vec {B}

Hvor Jeg er den nåværende og L lengden på ledningen eller ledende bane i feltet.

I tillegg til de mange likhetene mellom magnetisk kraft og elektrisk kraft, er det også noen tydelige forskjeller. Merk at den magnetiske kraften ikke vil påvirke en stasjonær ladning (hvis v = 0, så F = 0) eller en ladning som beveger seg parallelt med feltets retning (som resulterer i et 0-kryssprodukt), og faktisk i hvilken grad magnetkraftverkene varierer med vinkelen mellom hastigheten og feltet.

Forholdet mellom elektrisitet og magnetisme

James Clerk Maxwell avledet et sett med fire ligninger som oppsummerer forholdet mellom elektrisitet og magnetisme matematisk. Disse ligningene er som følger:

triangledown cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} {} triangledown cdot vec {B} = 0 {} triangledown times vec {E} = - dfrac { partiell vec {B}} { delvis t} {} triangledown times vec {B} = mu_0 vec {J} + mu_0 epsilon_0 dfrac { partial vec {E}} { partiell t}

Alle de fenomenene som er diskutert tidligere, kan beskrives med disse fire likningene. Men enda mer interessant er det at etter deres avledning ble det funnet en løsning på disse ligningene som ikke virket i samsvar med det som tidligere var kjent. Denne løsningen beskrev en selvutbredende elektromagnetisk bølge. Men da hastigheten til denne bølgen ble avledet, ble det bestemt å være:

dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299,792,485 m / s

Dette er lysets hastighet!

Hva er betydningen av dette? Vel, det viser seg at lys, et fenomen forskere hadde undersøkt egenskapene til i ganske lang tid, faktisk var et elektromagnetisk fenomen. Dette er grunnen til at du i dag ser det referert til elektromagnetisk stråling.

••• pixabay