ما هي 3 أوجه تشابه بين المغناطيس والكهرباء؟

القوى الكهربائية والمغناطيسية قوتان موجودتان في الطبيعة. بينما قد تبدو للوهلة الأولى مختلفة ، كلاهما نشأ من مجالات مرتبطة بالجسيمات المشحونة. القوتان لديهما ثلاثة أوجه تشابه رئيسية ، ويجب أن تتعلم المزيد عن كيفية ظهور هذه الظواهر.

1 - يأتون في صنفين متعارضين

تأتي الشحنات بأصناف موجبة (+) وسالبة (-). وحامل الشحنة الموجبة الأساسي هو البروتون وحامل الشحنة السالبة هو الإلكترون. كلاهما له شحنة مقدارها e = 1.602 × 10-19 كولوم.

الأضداد تتجاذب وتتنافر ؛ شحنتان موجبتان توضعان بالقرب من بعضهما البعضصد، أو تجربة قوة تدفعهم بعيدًا. وينطبق الشيء نفسه على شحنتين سلبيتين. ومع ذلك ، فإن الشحنة الموجبة والسالبة ستفعلجذببعضهم البعض.

التجاذب بين الشحنات الموجبة والسالبة هو ما يجعل معظم العناصر محايدة كهربائيًا. نظرًا لوجود عدد مماثل من الشحنات السالبة في الكون ، وتعمل القوى الجذابة والمنافرة بالطريقة التي تعمل بها ، تميل الشحنات إلىإبطال مفعول، أو إلغاء بعضنا البعض.

المغناطيس ، بالمثل ، له قطب شمالي وجنوبي. سوف يتنافر قطبان مغناطيسيان شماليان مع بعضهما البعض وكذلك قطبان جنوبيان مغناطيسيان ، لكن القطب الشمالي والقطب الجنوبي سوف يجذبان بعضهما البعض.

لاحظ أن ظاهرة أخرى من المحتمل أن تكون على دراية بها ، وهي الجاذبية ، ليست كذلك. الجاذبية هي قوة جذب بين كتلتين. لا يوجد سوى "نوع" واحد من الكتلة. إنه لا يأتي بأشكال إيجابية وسلبية مثل الكهرباء والمغناطيسية. وهذا النوع الوحيد من الكتلة يكون دائمًا جذابًا وليس مثيرًا للاشمئزاز.

هناك فرق واضح بين المغناطيس والشحنات ، ومع ذلك ، فإن المغناطيس يظهر دائمًا على شكل ثنائي القطب. أي أن أي مغناطيس سيكون له دائمًا قطب شمالي وجنوبي. لا يمكن فصل القطبين.

يمكن أيضًا إنشاء ثنائي القطب الكهربائي عن طريق وضع شحنة موجبة وسالبة على مسافة صغيرة ، ولكن من الممكن دائمًا فصل هذه الشحنات مرة أخرى. إذا تخيلت قضيبًا مغناطيسيًا بقطبيه الشمالي والجنوبي ، وحاولت قطعه إلى نصفين لعمل فصل الشمال والجنوب ، وبدلاً من ذلك ستكون النتيجة مغناطيسين أصغر ، مع الشمال والجنوب أعمدة.

2 - قوتهم النسبية مقارنة بالقوى الأخرى

إذا قارنا الكهرباء والمغناطيسية بالقوى الأخرى ، فسنلاحظ بعض الاختلافات المميزة. القوى الأساسية الأربعة للكون هي القوى القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة وقوى الجاذبية. (لاحظ أن القوى الكهربائية والمغناطيسية موصوفة بنفس الكلمة المفردة - المزيد عن هذا بعد قليل).

إذا أخذنا في الاعتبار أن القوة القوية - القوة التي تربط النكليونات معًا داخل الذرة - لها حجم 1 ، فإن مقدار الكهرباء والمغناطيسية نسبيًا يساوي 1/137. القوة الضعيفة - المسؤولة عن اضمحلال بيتا - لها حجم نسبي قدره 10-6، وقوة الجاذبية المقدار النسبي 6 × 10-39.

تقرأ هذا الحق. لم يكن خطأ مطبعي. قوة الجاذبية ضعيفة للغاية مقارنة بأي شيء آخر. قد يبدو هذا غير منطقي - فالجاذبية هي القوة التي تحافظ على حركة الكواكب وتبقي أقدامنا على الأرض! لكن ضع في اعتبارك ما يحدث عندما تلتقط مشبكًا ورقيًا بمغناطيس أو منديل به كهرباء ساكنة.

يمكن للقوة التي تسحب المغناطيس الصغير أو العنصر المشحون بشكل ثابت أن تتصدى لقوة الجاذبية للأرض بأكملها التي تسحب مشبك الورق أو الأنسجة! نعتقد أن الجاذبية أقوى بكثير ليس لأنها كذلك ، ولكن لأننا نمتلك قوة الجاذبية لعالم بأكمله تعمل علينا في جميع الأوقات ، نظرًا لطبيعتها الثنائية ، غالبًا ما ترتب الشحنات والمغناطيسات نفسها كما هي تحييد.

3 - الكهرباء والمغناطيسية وجهان لظاهرة واحدة

إذا نظرنا عن كثب وقارننا فعليًا الكهرباء والمغناطيسية ، فإننا نرى أنهما على المستوى الأساسي هما جانبان من نفس الظاهرة تسمىالكهرومغناطيسية. قبل أن نصف هذه الظاهرة بشكل كامل ، دعونا نحصل على فهم أعمق للمفاهيم المعنية.

المجالات الكهربائية والمغناطيسية

ما هو المجال؟ من المفيد أحيانًا التفكير في شيء يبدو مألوفًا أكثر. الجاذبية ، مثل الكهرباء والمغناطيسية ، هي أيضًا قوة تخلق مجالًا. تخيل منطقة الفضاء حول الأرض.

ستشعر أي كتلة في الفضاء بقوة تعتمد على حجم كتلتها وبعدها عن الأرض. لذلك نتخيل أن الفضاء حول الأرض يحتوي علىمجال، أي القيمة المخصصة لكل نقطة في الفضاء والتي تعطي بعض المؤشرات عن الحجم النسبي للقوة ، وفي أي اتجاه ، ستكون القوة المقابلة. مقدار مجال الجاذبية مسافةصمن الكتلةم، على سبيل المثال ، من خلال الصيغة:

E = {GM \ أعلى {1pt} r ^ 2}

أينجيهل ثابت الجاذبية العام 6.67408 × 10-11 م3/(kgs2). سيكون الاتجاه المرتبط بهذا المجال في أي نقطة معينة عبارة عن متجه وحدة يشير إلى مركز الأرض.

تعمل المجالات الكهربائية بنفس الطريقة. مقدار المجال الكهربائي على مسافةصمن نقطة تهمةفتعطى بالصيغة:

E = {kq \ أعلى {1pt} r ^ 2}

أينكهل ثابت كولوم 8.99 × 109 نانومتر2/ ج2. اتجاه هذا المجال في أي نقطة معينة هو نحو الشحنةفإذافسالبة وبعيدة عن الشحنفإذافهو إيجابي.

لاحظ أن هذه الحقول تخضع لقانون التربيع العكسي ، لذا إذا تحركت بعيدًا بمقدار الضعف ، يصبح الحقل أقوى بمقدار الربع. لإيجاد المجال الكهربائي الناتج عن عدة شحنات نقطية ، أو التوزيع المستمر للشحنة ، يمكننا ببساطة إيجاد التراكب أو إجراء تكامل للتوزيع.

الحقول المغناطيسية أصعب قليلاً لأن المغناطيس يأتي دائمًا على شكل ثنائيات أقطاب. غالبًا ما يتم تمثيل حجم المجال المغناطيسي بالحرفب، والصيغة الدقيقة لذلك تعتمد على الموقف.

فأين المغناطيسيةحقايأتي من؟

لم تكن العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية واضحة للعلماء إلا بعد عدة قرون من الاكتشافات الأولية لكل منهما. أدت بعض التجارب الرئيسية التي تستكشف التفاعل بين الظاهرتين في النهاية إلى الفهم الذي لدينا اليوم.

تخلق أسلاك الحمل الحالية مجالًا مغناطيسيًا

في أوائل القرن التاسع عشر اكتشف العلماء لأول مرة أن إبرة البوصلة المغناطيسية يمكن أن تنحرف عند وضعها بالقرب من سلك يحمل تيارًا. اتضح أن السلك الحامل للتيار يخلق مجالًا مغناطيسيًا. هذا المجال المغناطيسي مسافةصمن سلك طويل لا نهائي يحمل التيارأناتعطى بالصيغة:

ب = {\ mu_0 أنا \ أعلى {1pt} 2 \ pi r}

أينμ0 هي نفاذية الفراغ 4π​ × 10-7 غير متاح2. يتم إعطاء اتجاه هذا المجال بواسطةحكم اليد اليمنى- وجه إبهام يدك اليمنى في اتجاه التيار ، ثم لف أصابعك حول السلك في دائرة تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي.

أدى هذا الاكتشاف إلى إنشاء مغناطيس كهربائي. تخيل أنك تأخذ سلكًا يحمل تيارًا ولفه في ملف. سيبدو اتجاه المجال المغناطيسي الناتج مثل الحقل ثنائي القطب لقضيب مغناطيسي!

المجال المغناطيسي الذي تولده حلقة سلكية يشبه المجال المغناطيسي لقضيب مغناطيسي.

•••بيكساباي

ولكن ماذا عن شريط المغناطيس؟ من أين تأتي جاذبيتهم المغناطيسية؟

تتولد المغناطيسية في قضيب مغناطيسي عن طريق حركة الإلكترونات في الذرات التي يتكون منها. تخلق الشحنة المتحركة في كل ذرة مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا. في معظم المواد ، يتم توجيه هذه الحقول في كل اتجاه ، مما يؤدي إلى عدم وجود مغناطيسية صافية كبيرة. ولكن في بعض المواد ، مثل الحديد ، تسمح تركيبة المواد لهذه الحقول أن تصبح متوازنة.

لذا فإن المغناطيسية هي في الحقيقة مظهر من مظاهر الكهرباء!

ولكن انتظر هناك المزيد!

اتضح أن المغناطيسية لا تنتج فقط من الكهرباء ، ولكن يمكن توليد الكهرباء من المغناطيسية. تم هذا الاكتشاف بواسطة مايكل فاراداي. بعد وقت قصير من اكتشاف ارتباط الكهرباء والمغناطيسية ، وجد فاراداي طريقة لتوليد التيار في ملف من الأسلاك عن طريق تغيير المجال المغناطيسي الذي يمر عبر مركز الملف.

قانون فارادايينص على أن التيار المستحث في الملف سوف يتدفق في اتجاه يعارض التغيير الذي تسبب فيه. والمقصود بهذا هو أن التيار المستحث سوف يتدفق في اتجاه يولد مجالًا مغناطيسيًا يعاكس المجال المغناطيسي المتغير الذي تسبب في حدوثه. في الأساس ، يحاول التيار المستحث ببساطة مواجهة أي تغييرات في المجال.

لذلك إذا كان المجال المغناطيسي الخارجي يشير إلى الملف ثم زاد في الحجم ، فإن التيار سوف يفعل يتدفق في مثل هذا الاتجاه لإنشاء مجال مغناطيسي يشير إلى خارج الحلقة من أجل مواجهة ذلك يتغيرون. إذا كان المجال المغناطيسي الخارجي يشير إلى الملف وينخفض ​​في الحجم ، فسوف يتدفق التيار في مثل هذا الاتجاه لإنشاء مجال مغناطيسي يشير أيضًا إلى الملف من أجل مواجهة التغيير.

أدى اكتشاف فاراداي إلى التكنولوجيا الكامنة وراء مولدات الطاقة الحالية. من أجل توليد الكهرباء ، يجب أن تكون هناك طريقة لتغيير المجال المغناطيسي الذي يمر عبر ملف من الأسلاك. يمكنك أن تتخيل تدوير ملف سلكي في وجود مجال مغناطيسي قوي من أجل إحداث هذا التغيير. يتم ذلك غالبًا بوسائل ميكانيكية ، مثل تحريك التوربينات بواسطة الرياح أو المياه المتدفقة.

تستخدم توربينات الرياح الحث الكهرومغناطيسي لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

•••بيكساباي

أوجه التشابه بين القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية

أوجه التشابه بين القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية كثيرة. كلا القوتين يعملان بناء على اتهامات ولهما أصول في نفس الظاهرة. تتمتع كلتا القوتين بنقاط قوة مماثلة ، كما هو موضح أعلاه.

القوة الكهربائية على الشحنةفبسبب الميدانهاعطي من قبل:

\ vec {F} = q \ vec {E}

القوة المغناطيسية عند الشحنفتتحرك بسرعةالخامسبسبب الميدانبيتم تقديمها بموجب قانون قوة لورنتز:

vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}

صيغة أخرى لهذه العلاقة هي:

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

أينأناهو التيار وإلطول السلك أو المسار الموصل في الحقل.

بالإضافة إلى العديد من أوجه التشابه بين القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية ، هناك أيضًا بعض الاختلافات المميزة. لاحظ أن القوة المغناطيسية لن تؤثر على الشحنة الثابتة (إذا كانت v = 0 ، فإن F = 0) أو شحنة تتحرك موازية لاتجاه المجال (مما ينتج عنه حاصل ضرب 0 عرضي) ، وفي الواقع تختلف درجة تأثير القوة المغناطيسية باختلاف الزاوية بين السرعة و مجال.

العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية

اشتق جيمس كلارك ماكسويل مجموعة من أربع معادلات تلخص رياضيا العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. هذه المعادلات كالتالي:

\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ جزئي \ vec {B}} {\ جزئي t} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ جزئي \ vec {E}} {\ جزئي t}

يمكن وصف جميع الظواهر التي تمت مناقشتها مسبقًا بهذه المعادلات الأربع. ولكن الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه بعد اشتقاقها ، تم العثور على حل لهذه المعادلات لا يبدو متسقًا مع ما كان معروفًا سابقًا. وصف هذا الحل موجة كهرومغناطيسية ذاتية الانتشار. ولكن عند اشتقاق سرعة هذه الموجة ، تم تحديدها على النحو التالي:

\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299،792،485 م / ث

هذه هي سرعة الضوء!

ما الاهمية من هذا؟ حسنًا ، اتضح أن الضوء ، الظاهرة التي كان العلماء يستكشفون خصائصها لبعض الوقت ، كانت في الواقع ظاهرة كهرومغناطيسية. هذا هو السبب في أنك ترى اليوم يشار إليه باسمالاشعاع الكهرومغناطيسي​.

موجة كهرومغناطيسية ذات مجالات كهربائية ومغناطيسية تتأرجح في اتجاهات متعامدة.

•••بيكساباي

  • يشارك
instagram viewer