Електрическите и магнитните сили са две сили, открити в природата. Макар на пръв поглед да изглеждат различни, и двамата произхождат от полета, свързани със заредени частици. Двете сили имат три основни прилики и трябва да научите повече за това как възникват тези явления.
1 - Те се предлагат в две противоположни разновидности
Таксите са в положителни (+) и отрицателни (-) разновидности. Основният носител на положителен заряд е протонът, а отрицателният носител е електронът. И двата имат заряд с величина e = 1.602 × 10-19 Кулони.
Противоположностите се привличат, а харесванията отблъскват; два положителни заряда, поставени близо един до друг, щеотблъскване, или изпитват сила, която ги отблъсква. Същото важи и за два отрицателни заряда. Положителен и отрицателен заряд обаче ще имапривличамвзаимно.
Привличането между положителни и отрицателни заряди е това, което обикновено прави повечето елементи електрически неутрални. Тъй като във Вселената има същия брой положителни като отрицателните заряди и атрактивните и отблъскващи сили действат по начина, по който действат, зарядите са склонни да
неутрализирайтеили се анулирайте взаимно.По същия начин магнитите имат северния и южния полюс. Два магнитни северни полюса ще се отблъскват, както и два магнитни южни полюса, но северният и южният полюс ще се привличат.
Имайте предвид, че друго явление, с което вероятно сте запознати, гравитацията, не е такова. Гравитацията е привлекателна сила между две маси. Има само един „тип“ маса. Той не се предлага в положителни и отрицателни разновидности като електричеството и магнетизма. И този един вид маса винаги е привлекателна и не отблъскваща.
Има различна разлика между магнитите и зарядите обаче, тъй като магнитите винаги се появяват като дипол. Тоест всеки даден магнит винаги ще има северен и южен полюс. Двата полюса не могат да бъдат разделени.
Електрически дипол може да се създаде и чрез поставяне на положителен и отрицателен заряд на малко разстояние, но винаги е възможно тези заряди да се разделят отново. Ако си представите магнит с пръти със северния и южния полюс и трябваше да опитате да го разрежете наполовина, за да направите отделете север и юг, вместо това резултатът ще бъде два по-малки магнита, както със собствен север, така и юг стълбове.
2 - Относителната им сила в сравнение с другите сили
Ако сравним електричеството и магнетизма с други сили, ще видим някои отчетливи разлики. Четирите основни сили на Вселената са силните, електромагнитните, слабите и гравитационните сили. (Обърнете внимание, че електрическите и магнитните сили са описани от една и съща дума - повече за това след малко.)
Ако разгледаме силната сила - силата, която задържа нуклоните заедно вътре в атома - да има магнитуд 1, тогава електричеството и магнетизмът имат относителна величина 1/137. Слабата сила - която е отговорна за бета разпада - има относителна величина 10-6, а гравитационната сила има относителна величина 6 × 10-39.
Правилно сте прочели. Не беше печатна грешка. Гравитационната сила е изключително слаба в сравнение с всичко останало. Това може да изглежда неинтуитивно - в крайна сметка гравитацията е силата, която поддържа планетите в движение и държи краката ни на земята! Но помислете какво се случва, когато вземете кламер с магнит или тъкан със статично електричество.
Силата, придърпваща единия малък магнит или статично зареден елемент, може да противодейства на гравитационната сила на цялата Земя, която дърпа кламерчето или тъканта! Ние мислим за гравитацията като за много по-мощна не защото тя е, а защото имаме гравитационната сила на цял свят действайки върху нас по всяко време, докато поради своята двоична природа зарядите и магнитите често се подреждат така, че да бъдат неутрализиран.
3 - Електричеството и магнетизмът са две страни на един и същ феномен
Ако разгледаме по-отблизо и наистина сравним електричеството и магнетизма, виждаме, че на основно ниво те са два аспекта на едно и също явление, нареченоелектромагнетизъм. Преди да опишем напълно този феномен, нека да разберем по-задълбочено понятията.
Електрически и магнитни полета
Какво е поле? Понякога е полезно да помислите за нещо, което изглежда по-познато. Гравитацията, подобно на електричеството и магнетизма, също е сила, която създава поле. Представете си района на космоса около Земята.
Всяка дадена маса в космоса ще почувства сила, която зависи от големината на нейната маса и разстоянието й от Земята. Затова си представяме, че пространството около Земята съдържа aполе, тоест стойност, присвоена на всяка точка от пространството, която дава известна индикация колко относително голяма и в каква посока би била съответната сила. Величината на гравитационното поле на разстояниеrот масаМ, например, се дава по формулата:
E = {GM \ над {1pt} r ^ 2}
КъдетоGе универсалната гравитационна константа 6.67408 × 10-11 м3/(kgs2). Посоката, свързана с това поле във всяка точка, би била единичен вектор, сочещ към центъра на Земята.
Електрическите полета работят по същия начин. Величината на електрическото поле на разстояниеrот точково зарежданеqсе дава по формулата:
E = {kq \ над {1pt} r ^ 2}
Къдетоке константата на Кулон 8,99 × 109 Нм2/° С2. Посоката на това поле във всяка точка е към зарядаqакоqе отрицателно и е далеч от таксаqакоqе положителен.
Имайте предвид, че тези полета се подчиняват на закон на обратния квадрат, така че ако се отдалечите два пъти по-далеч, полето става с една четвърт по-силно. За да намерим електрическото поле, генерирано от няколко точкови заряда, или непрекъснато разпределение на заряда, ние просто ще намерим суперпозицията или ще извършим интегриране на разпределението.
Магнитните полета са малко по-сложни, защото магнитите винаги идват като диполи. Величина на магнитното поле често се представя с букватаБ., а точната формула за него зависи от ситуацията.
И така, къде е магнетизмътНаистина лиИдвам от?
Връзката между електричеството и магнетизма е била очевидна за учените едва няколко века след първоначалните открития на всеки. Някои ключови експерименти, изследващи взаимодействието между двете явления, в крайна сметка доведоха до разбирането, което имаме днес.
Текущи проводници създават магнитно поле
В началото на 1800 г. учените за първи път откриват, че иглата на магнитен компас може да се отклони, когато се държи близо до проводник, носещ ток. Оказва се, че ток, носещ проводник, създава магнитно поле. Това магнитно поле на разстояниеrот безкрайно дълъг проводник, носещ токАзсе дава по формулата:
B = {\ mu_0 I \ над {1pt} 2 \ pi r}
Къдетоμ0 е вакуумната пропускливост 4π × 10-7 Неприложимо2. Посоката на това поле се дава отправило на дясната ръка- насочете палеца на дясната си ръка в посоката на тока, а след това пръстите си увийте около проводника в кръг, посочващ посоката на магнитното поле.
Това откритие доведе до създаването на електромагнити. Представете си, че вземате ток, носещ проводник, и го увивате в намотка. Посоката на полученото магнитно поле ще изглежда като диполното поле на бар магнит!
•••pixabay
Но какво да кажем за бар магнитите? Откъде идва техният магнетизъм?
Магнетизмът в баров магнит се генерира от движението на електроните в атомите, които го съставят. Подвижният заряд във всеки атом създава малко магнитно поле. В повечето материали тези полета са ориентирани по всякакъв начин, което не води до значителен мрежов магнетизъм. Но при някои материали, като желязото, съставът на материалите позволява всички тези полета да се изравнят.
Така че магнетизмът наистина е проява на електричество!
Но изчакайте, има още!
Оказва се, че магнетизмът не само се получава от електричеството, но и електричеството може да се генерира от магнетизма. Това откритие е направено от Майкъл Фарадей. Малко след откритието, че електричеството и магнетизмът са свързани, Фарадей намери начин да генерира ток в намотка от тел, като променя магнитното поле, преминаващо през центъра на намотката.
Законът на Фарадейзаявява, че токът, индуциран в бобина, ще тече в посока, която се противопоставя на изменението, което го е причинило. Под това се разбира, че индуцираният ток ще тече в посока, която генерира магнитно поле, което се противопоставя на променящото се магнитно поле, което го е причинило. По същество индуцираният ток просто се опитва да противодейства на всякакви промени в полето.
Така че, ако външното магнитно поле е насочено към бобината и след това се увеличи по сила, токът ще се увеличи поток в такава посока, за да се създаде магнитно поле, сочещо от контура, за да се противодейства на това промяна. Ако външното магнитно поле е насочено към бобината и намалее по сила, тогава токът ще тече в такава посока да се създаде магнитно поле, което също да сочи към намотката, за да противодейства на промяната.
Откритието на Фарадей доведе до технологията, стояща зад днешните генератори на енергия. За да се генерира електричество, трябва да има начин за промяна на магнитното поле, преминаващо през намотка от тел. Можете да си представите да завъртите телена намотка в присъствието на силно магнитно поле, за да осъществите тази промяна. Това често се прави с механични средства, като турбина, която се движи от вятър или течаща вода.
•••pixabay
Прилики между магнитната сила и електрическата сила
Приликите между магнитната сила и електрическата сила са много. И двете сили действат по обвинения и водят началото си от едно и също явление. И двете сили имат съпоставима сила, както е описано по-горе.
Електрическа сила при зарежданеqпоради полетоЕ.се дава от:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Магнитната сила при зарежданеqдвижещи се със скоростvпоради полетоБ.се дава от силовия закон на Лоренц:
vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}
Друга формулировка на тази връзка е:
vec {F} = \ vec {I} L \ times \ vec {B}
КъдетоАзе токът иLдължината на проводника или проводящия път в полето.
В допълнение към многото прилики между магнитната сила и електрическата сила, има и някои отчетливи разлики. Имайте предвид, че магнитната сила няма да повлияе на неподвижен заряд (ако v = 0, тогава F = 0) или заряд, движещ се успоредно на посоката на полето (което води до 0 кръстосан продукт) и всъщност степента, до която действа магнитната сила, варира в зависимост от ъгъла между скоростта и поле.
Връзка между електричеството и магнетизма
Джеймс Клерк Максуел извежда набор от четири уравнения, които обобщават математически връзката между електричеството и магнетизма. Тези уравнения са както следва:
\ триъгълник \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ триъгълник \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ триъгълник \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ частично \ vec {B}} {\ частично t} \\ \ текст {} \\ \ триъгълник \ пъти \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ частичен \ vec {E}} {\ частичен t}
Всички разгледани преди това явления могат да бъдат описани с тези четири уравнения. Но още по-интересно е, че след тяхното извеждане беше намерено решение на тези уравнения, което не изглеждаше в съответствие с това, което беше известно преди. Това решение описва саморазпространяваща се електромагнитна вълна. Но когато скоростта на тази вълна беше получена, беше определено да бъде:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299 792 485 м / сек
Това е скоростта на светлината!
Какво е значението на това? Е, оказва се, че светлината, явление, което учените са изследвали свойствата от доста време, всъщност е електромагнитно явление. Ето защо днес го виждате катоелектромагнитно излъчване.
•••pixabay