Jaké jsou 3 podobnosti mezi magnety a elektřinou?

Elektrické a magnetické síly jsou dvě síly vyskytující se v přírodě. I když se na první pohled mohou zdát odlišné, obě pocházejí z polí spojených s nabitými částicemi. Tyto dvě síly mají tři hlavní podobnosti a měli byste se dozvědět více o tom, jak tyto jevy vznikají.

Poplatky jsou kladné (+) a záporné (-) odrůdy. Nosičem základního kladného náboje je proton a nosičem záporného náboje je elektron. Oba mají náboj o velikosti e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Protiklady přitahují a mají rádi odpuzování; dva kladné náboje umístěné blízko sebe budouodrazitnebo zažít sílu, která je tlačí od sebe. Totéž platí pro dva záporné náboje. Kladný a záporný náboj však budepřitahovatnavzájem.

Přitažlivost mezi kladnými a zápornými náboji je to, co vede k tomu, že většina položek je elektricky neutrální. Protože ve vesmíru existuje stejný počet kladných i záporných nábojů a atraktivní a odpudivé síly jednají tak, jak jednají, mají náboje tendencineutralizovat, nebo se navzájem zrušit.

Magnety mají obdobně severní a jižní pól. Dva magnetické severní póly se budou navzájem odpuzovat, stejně jako dva magnetické jižní póly, ale severní pól a jižní pól se budou navzájem přitahovat.

Všimněte si, že jiný fenomén, který pravděpodobně znáte, gravitace, takový není. Gravitace je přitažlivá síla mezi dvěma masami. Existuje pouze jeden „typ“ hmoty. Nepřichází v pozitivních a negativních variantách, jako je tomu u elektřiny a magnetismu. A tento jeden typ mše je vždy atraktivní a není odpudivý.

Mezi magnety a náboji je zřetelný rozdíl, nicméně v tom, že se magnety vždy zobrazují jako dipól. To znamená, že jakýkoli daný magnet bude mít vždy severní a jižní pól. Tyto dva póly nelze oddělit.

Elektrický dipól lze také vytvořit umístěním kladného a záporného náboje v malé vzdálenosti od sebe, ale vždy je možné tyto náboje znovu oddělit. Pokud si představíte tyčový magnet s jeho severním a jižním pólem, a pokusili byste se ho rozříznout na polovinu, abyste vytvořili a samostatný sever a jih, místo toho by výsledkem byly dva menší magnety, oba s vlastním severem a jihem póly.

Porovnáme-li elektřinu a magnetismus s jinými silami, vidíme určité výrazné rozdíly. Čtyři základní síly vesmíru jsou silné, elektromagnetické, slabé a gravitační síly. (Všimněte si, že elektrické a magnetické síly jsou popsány stejným jediným slovem - více o tom trochu.)

Pokud vezmeme v úvahu, že silná síla - síla, která drží nukleony pohromadě uvnitř atomu - má velikost 1, pak má elektřina a magnetismus relativní velikost 1/137. Slabá síla - která je zodpovědná za rozpad beta - má relativní velikost 10^-6a gravitační síla má relativní velikost 6 × 10^-39.

Četl jsi správně. Nebyl to překlep. Gravitační síla je ve srovnání se všemi ostatními extrémně slabá. To by se mohlo zdát neintuitivní - koneckonců gravitace je síla, která udržuje planety v pohybu a udržuje naše nohy na zemi! Ale zvažte, co se stane, když vezmete kancelářskou sponku s magnetem nebo papírovou kapsu se statickou elektřinou.

Síla přitahující jeden malý magnet nebo staticky nabitý předmět může působit proti gravitační síle celé Země přitahující sponku nebo tkáň! Myslíme si, že gravitace je mnohem silnější ne proto, že je, ale proto, že máme gravitační sílu celé zeměkoule působí na nás za všech okolností, zatímco díky své binární povaze se náboje a magnety často uspořádají tak, aby byly neutralizováno.

Podíváme-li se blíže a skutečně porovnáme elektřinu a magnetismus, vidíme, že na základní úrovni jsou to dva aspekty stejného jevu zvanéhoelektromagnetismus. Než tento jev plně popíšeme, pojďme hlouběji porozumět pojmům, kterých se to týká.

Co je to pole? Někdy je užitečné přemýšlet o něčem, co vypadá lépe. Gravitace, stejně jako elektřina a magnetismus, je také silou, která vytváří pole. Představte si oblast vesmíru kolem Země.

Jakákoli daná hmota ve vesmíru pocítí sílu, která závisí na velikosti její hmotnosti a její vzdálenosti od Země. Představujeme si tedy, že prostor kolem Země obsahuje apole, tj. hodnota přiřazená každému bodu v prostoru, která udává, jak relativně velká a jakým směrem by byla odpovídající síla. Velikost gravitačního pole na dálkurz mšeM, například, je dán vzorcem:

KdeGje univerzální gravitační konstanta 6,67 408 × 10^-11 m³/(kgs²). Směr spojený s tímto polem v kterémkoli daném bodě by byl jednotkový vektor směřující do středu Země.

Elektrická pole fungují stejným způsobem. Velikost elektrického pole na dálkurz bodového nábojeqje dáno vzorcem:

Kdekje Coulombova konstanta 8,99 × 10⁹ Nm²/C². Směr tohoto pole v daném bodě je směrem k nábojiq-liqje záporná a není nabitáq-liqje pozitivní.

Všimněte si, že tato pole se řídí zákonem inverzních čtverců, takže pokud se přesunete dvakrát tak daleko, pole se stane o čtvrtinu silnějším. Abychom našli elektrické pole generované několika bodovými náboji nebo spojitým rozdělením náboje, jednoduše bychom našli superpozici nebo provedli integraci rozdělení.

Magnetická pole jsou trochu složitější, protože magnety vždy přicházejí jako dipóly. Velikost magnetického pole je často reprezentována písmenemBa jeho přesný vzorec závisí na situaci.

Vztah mezi elektřinou a magnetismem byl vědcům zjevný až několik století po počátečních objevech každého z nich. Některé klíčové experimenty zkoumající interakci mezi těmito dvěma jevy nakonec vedly k porozumění, které dnes máme.

Na počátku 19. století vědci poprvé objevili, že jehla magnetického kompasu by mohla být vychýlena, pokud by byla držena v blízkosti drátu nesoucího proud. Ukazuje se, že vodič pro vedení proudu vytváří magnetické pole. Toto magnetické pole na dálkurz nekonečně dlouhého drátu, který vede proudJáje dáno vzorcem:

Kdeμ​₀ je vakuová propustnost 4π​ × 10^-7 N / A². Směr tohoto pole je dánpravidlo pravé ruky- namiřte palec pravé ruky ve směru proudu a poté prsty omotejte kolem drátu v kruhu označujícím směr magnetického pole.

Tento objev vedl k vytvoření elektromagnetů. Představte si, že vezmete vodič nesoucí proud a zabalíte ho do cívky. Směr výsledného magnetického pole bude vypadat jako dipólové pole tyčového magnetu!

•••Dreamstime

Magnetismus v tyčovém magnetu je generován pohybem elektronů v atomech, které jej tvoří. Pohybující se náboj v každém atomu vytváří malé magnetické pole. Ve většině materiálů jsou tato pole orientována jakýmkoli způsobem, což nemá za následek žádný významný magnetismus sítě. Ale v určitých materiálech, jako je železo, materiálové složení umožňuje, aby se všechna pole vyrovnala.

Magnetismus je tedy opravdu projevem elektřiny!

Ukazuje se, že nejen magnetismus je výsledkem elektřiny, ale elektřina může být generována magnetismem. Tento objev učinil Michael Faraday. Krátce po objevu, že elektřina a magnetismus spolu souvisejí, Faraday našel způsob, jak generovat proud v cívce drátu změnou magnetického pole procházejícího středem cívky.

​Faradayův zákonuvádí, že proud indukovaný v cívce bude proudit ve směru, který je proti změně, která jej způsobila. Tím se rozumí to, že indukovaný proud bude proudit ve směru, který generuje magnetické pole, které je proti měnícímu se magnetickému poli, které jej způsobilo. Indukovaný proud se v podstatě snaží čelit jakýmkoli změnám pole.

Pokud tedy vnější magnetické pole směřuje do cívky a poté se zvětšuje, proud bude proudí takovým směrem, aby se vytvořilo magnetické pole směřující ze smyčky, aby se tomu zabránilo změna. Pokud externí magnetické pole směřuje do cívky a zmenšuje se, bude proud protékat v takovém směru vytvořit magnetické pole, které také směřuje do cívky, aby se zabránilo změně.

Faradayův objev vedl k technologii, která stojí za dnešními generátory energie. Aby bylo možné vyrábět elektřinu, musí existovat způsob, jak měnit magnetické pole procházející cívkou drátu. Dokážete si představit otáčení drátové cívky v přítomnosti silného magnetického pole, abyste tuto změnu provedli. To se často provádí mechanickými prostředky, jako je turbína poháněná větrem nebo tekoucí vodou.

•••Dreamstime

Podobností mezi magnetickou silou a elektrickou silou je mnoho. Obě síly jednají na základě obvinění a mají původ ve stejném jevu. Obě síly mají srovnatelné síly, jak je popsáno výše.

Elektrická síla na nábojqkvůli poliEdarováno:

Magnetická síla na nábojiqpohybující se rychlostíprotikvůli poliBje dán Lorentzovým silovým zákonem:

Další formulace tohoto vztahu je:

KdeJáje aktuální aLdélka drátu nebo vodivé cesty v poli.

Kromě mnoha podobností mezi magnetickou a elektrickou silou existují také některé výrazné rozdíly. Pamatujte, že magnetická síla neovlivní stacionární náboj (pokud v = 0, pak F = 0) nebo náboj pohybující se rovnoběžně se směrem pole (což má za následek vzájemný součin 0) a míra působení magnetické síly se ve skutečnosti mění s úhlem mezi rychlostí a pole.

James Clerk Maxwell odvodil sadu čtyř rovnic, které matematicky shrnují vztah mezi elektřinou a magnetismem. Jedná se o následující rovnice:

Všechny výše popsané jevy lze popsat pomocí těchto čtyř rovnic. Ale ještě zajímavější je, že po jejich odvození bylo nalezeno řešení těchto rovnic, které se nezdálo v souladu s tím, co bylo dříve známé. Toto řešení popisovalo samovolně se šířící elektromagnetickou vlnu. Ale když byla odvozena rychlost této vlny, bylo zjištěno, že:

To je rychlost světla!

Jaký to má význam? Ukázalo se, že světlo, fenomén, který vědci zkoumali již nějakou dobu, byl ve skutečnosti elektromagnetický jev. To je důvod, proč se dnes označuje jakoelektromagnetická radiace​.

•••Dreamstime