Hvad er 3 ligheder mellem magneter og elektricitet?

Elektriske og magnetiske kræfter er to kræfter, der findes i naturen. Mens de ved første øjekast kan virke forskellige, stammer de begge fra felter forbundet med ladede partikler. De to kræfter har tre hovedligheder, og du bør lære mere om, hvordan disse fænomener opstår.

Afgifter kommer i positive (+) og negative (-) sorter. Den grundlæggende positive ladningsbærer er protonen, og den negative ladningsbærer er elektronen. Begge har en ladning af størrelsen e = 1.602 × 10^-19 Coulombs.

Modsætninger tiltrækker og kan lide at afvise; to positive ladninger placeret nær hinanden vilfrastødeeller opleve en kraft, der skubber dem fra hinanden. Det samme gælder for to negative ladninger. En positiv og en negativ ladning vil dog gøre detat tiltrækkehinanden.

Tiltrækningen mellem positive og negative ladninger er, hvad der har tendens til at gøre de fleste genstande elektrisk neutrale. Fordi der er det samme antal positive som negative ladninger i universet, og de attraktive og frastødende kræfter virker som de gør, har ladningerne tendens til at

Magneter har ligeledes nord- og sydpoler. To magnetiske nordpoler afviser hinanden, ligesom to magnetiske sydpoler, men en nordpol og sydpol vil tiltrække hinanden.

Bemærk, at et andet fænomen, du sandsynligvis er fortrolig med, tyngdekraften, ikke er sådan. Tyngdekraften er en attraktiv kraft mellem to masser. Der er kun en "type" masse. Det kommer ikke i positive og negative sorter som elektricitet og magnetisme gør. Og denne ene type masse er altid attraktiv og ikke frastødende.

Der er en tydelig forskel mellem magneter og ladninger, dog ved at magneter altid vises som en dipol. Det vil sige, at en hvilken som helst given magnet altid vil have en nord- og sydpol. De to poler kan ikke adskilles.

En elektrisk dipol kan også oprettes ved at placere en positiv og negativ ladning i en lille afstand fra hinanden, men det er altid muligt at adskille disse ladninger igen. Hvis du forestiller dig en stangmagnet med dens nord- og sydpol, og du skulle prøve at skære den i halve for at lave en adskilt nord og syd, i stedet ville resultatet være to mindre magneter, begge med deres eget nord og syd stænger.

Hvis vi sammenligner elektricitet og magnetisme med andre kræfter, ser vi nogle tydelige forskelle. De fire grundlæggende kræfter i universet er de stærke, elektromagnetiske, svage og tyngdekrafter. (Bemærk, at elektriske og magnetiske kræfter er beskrevet med det samme enkelt ord - lidt mere om dette.)

Hvis vi betragter den stærke kraft - den kraft, der holder nukleoner sammen inde i et atom - til at have en størrelse på 1, så har elektricitet og magnetisme en relativ størrelse på 1/137. Den svage kraft - som er ansvarlig for beta-henfald - har en relativ størrelse på 10^-6, og tyngdekraften har en relativ størrelse på 6 × 10^-39.

Du læste det rigtigt. Det var ikke en skrivefejl. Gravitationskraften er ekstremt wimpy sammenlignet med alt andet. Dette kan virke kontraintuitivt - trods alt er tyngdekraften den kraft, der holder planeter i bevægelse og holder vores fødder på jorden! Men overvej hvad der sker, når du samler en papirclips med en magnet eller et væv med statisk elektricitet.

Kraften, der trækker den ene lille magnet eller statisk ladede genstand op, kan modvirke tyngdekraften på hele Jorden, der trækker på papirclipsen eller vævet! Vi tænker på tyngdekraften som værende så meget mere magtfuld ikke fordi den er, men fordi vi har tyngdekraften fra en hel klode handler på os hele tiden, mens ladninger og magneter ofte på grund af deres binære natur arrangerer sig, så de er neutraliseret.

Hvis vi ser nærmere på og virkelig sammenligner elektricitet og magnetisme, ser vi, at de på et grundlæggende niveau er to aspekter af det samme fænomen kaldetelektromagnetisme. Før vi fuldt ud beskriver dette fænomen, kan vi få en dybere forståelse af de involverede begreber.

Hvad er et felt? Nogle gange er det nyttigt at tænke over noget, der virker mere kendt. Tyngdekraft, ligesom elektricitet og magnetisme, er også en kraft, der skaber et felt. Forestil dig området omkring rummet omkring Jorden.

Enhver given masse i rummet vil føle en kraft, der afhænger af massens størrelse og afstanden fra Jorden. Så vi forestiller os, at rummet omkring Jorden indeholder enMarkdet vil sige en værdi tildelt hvert punkt i rummet, der giver en vis indikation af, hvor relativt stor og i hvilken retning en tilsvarende kraft ville være. Tyngdefeltets størrelse en afstandrfra masseMer for eksempel givet med formlen:

HvorGer den universelle tyngdekonstant 6,67408 × 10^-11 m³/(kgs²). Retningen forbundet med dette felt på et givet punkt ville være en enhedsvektor, der peger mod Jordens centrum.

Elektriske felter fungerer på samme måde. Størrelsen af ​​det elektriske felt en afstandrfra punktafgiftqer givet ved formlen:

Hvorker Coulomb-konstanten 8,99 × 10⁹ Nm²/ C². Retningen af ​​dette felt på et givet punkt er mod ladningenqhvisqer negativ og væk fra opladningqhvisqer positiv.

Bemærk, at disse felter overholder en omvendt firkantet lov, så hvis du bevæger dig dobbelt så langt væk, bliver feltet en fjerdedel så stærk. For at finde det elektriske felt genereret af flere punktladninger eller en kontinuerlig fordeling af ladning, ville vi simpelthen finde superpositionen eller udføre en integration af fordelingen.

Magnetfelter er lidt vanskeligere, fordi magneter altid kommer som dipoler. En størrelse af magnetfeltet er ofte repræsenteret af brevetB, og den nøjagtige formel for det afhænger af situationen.

Forholdet mellem elektricitet og magnetisme var ikke tydeligt for forskere indtil flere århundreder efter de første opdagelser af hver. Nogle nøgleeksperimenter, der udforskede samspillet mellem de to fænomener, førte til sidst til den forståelse, vi har i dag.

I begyndelsen af ​​1800-tallet opdagede forskere først, at en magnetisk kompasnål kunne blive afbøjet, når den blev holdt tæt på en ledningsstrøm. Det viser sig, at en strømførende ledning skaber et magnetfelt. Dette magnetfelt en afstandrfra en uendelig lang ledningsstrømjeger givet ved formlen:

Hvorμ​₀ er vakuumgennemtrængelighed 4π​ × 10^-7 Ikke relevant². Retningen af ​​dette felt er givet afhøjre hånd regel- peg tommelfingeren på din højre hånd i retning af strømmen, og derefter vikles fingrene rundt om ledningen i en cirkel, der indikerer magnetfeltets retning.

Denne opdagelse førte til oprettelsen af ​​elektromagneter. Forestil dig at tage en strømførende ledning og indpakke den i en spole. Retningen af ​​det resulterende magnetfelt vil ligne dipolfeltet for en stangmagnet!

•••Pixabay

Magnetisme i en stangmagnet genereres af bevægelsen af ​​elektronerne i de atomer, der udgør den. Den bevægelige ladning i hvert atom skaber et lille magnetfelt. I de fleste materialer er disse felter orienteret overalt, hvilket resulterer i ingen signifikant nettomagnetisme. Men i visse materialer, såsom jern, tillader materialesammensætningen, at disse felter alle bliver justeret.

Så magnetisme er virkelig en manifestation af elektricitet!

Det viser sig, at magnetisme ikke kun skyldes elektricitet, men elektricitet kan genereres fra magnetisme. Denne opdagelse blev foretaget af Michael Faraday. Kort efter opdagelsen af, at elektricitet og magnetisme var relateret, fandt Faraday en måde at generere strøm i en trådspole ved at variere magnetfeltet, der passerer gennem midten af ​​spolen.

​Faradays lovangiver, at strømmen induceret i en spole vil flyde i en retning, der modsætter sig den ændring, der forårsagede den. Hvad der menes med dette er, at den inducerede strøm vil flyde i en retning, der genererer et magnetfelt, der modsætter sig det skiftende magnetfelt, der forårsagede det. I det væsentlige forsøger den inducerede strøm simpelthen at modvirke eventuelle feltændringer.

Så hvis det eksterne magnetfelt peger ind i spolen og derefter øges i størrelse, vil strømmen strømme i en sådan retning for at skabe et magnetfelt, der peger ud af sløjfen for at modvirke dette lave om. Hvis det eksterne magnetfelt peger ind i spolen og falder i størrelse, strømmer strømmen i en sådan retning at skabe et magnetfelt, der også peger ind i spolen for at modvirke ændringen.

Faradays opdagelse førte til teknologien bag nutidens elgeneratorer. For at generere elektricitet skal der være en måde at variere magnetfeltet, der passerer gennem en trådspole. Du kan forestille dig at dreje en trådspole i nærværelse af et stærkt magnetfelt for at vedtage denne ændring. Dette gøres ofte ved mekaniske midler, såsom at en turbine bevæges af vind eller strømmende vand.

•••Pixabay

Ligheden mellem magnetisk kraft og elektrisk kraft er mange. Begge kræfter handler på anklager og har deres oprindelse i det samme fænomen. Begge kræfter har sammenlignelige styrker som beskrevet ovenfor.

Elektrisk kraft på opladningqpå grund af feltEer givet af:

Den magnetiske kraft på ladningqbevæger sig med hastighedvpå grund af feltBer givet ved Lorentz styrke lov:

En anden formulering af dette forhold er:

Hvorjeger den aktuelle ogLlængden på ledningen eller den ledende sti i marken.

Ud over de mange ligheder mellem magnetisk kraft og elektrisk kraft er der også nogle forskellige forskelle. Bemærk, at den magnetiske kraft ikke påvirker en stationær ladning (hvis v = 0, så F = 0) eller en ladning, der bevæger sig parallelt med feltets retning (hvilket resulterer i et 0-krydsprodukt), og faktisk varierer den grad, hvor magnetkraften virker, med vinklen mellem hastigheden og Mark.

James Clerk Maxwell afledte et sæt af fire ligninger, der sammenfatter forholdet mellem elektricitet og magnetisme matematisk. Disse ligninger er som følger:

Alle de tidligere diskuterede fænomener kan beskrives med disse fire ligninger. Men endnu mere interessant er, at der efter deres afledning blev fundet en løsning på disse ligninger, der ikke syntes at være i overensstemmelse med det, der tidligere var kendt. Denne løsning beskrev en selvforplantende elektromagnetisk bølge. Men da hastigheden af ​​denne bølge blev afledt, blev den bestemt til at være:

Dette er lysets hastighed!

Hvad er betydningen af ​​dette? Nå viser det sig, at lys, et fænomen, som forskere havde udforsket egenskaberne i i nogen tid, faktisk var et elektromagnetisk fænomen. Dette er grunden til, at du i dag ser det omtalt somelektromagnetisk stråling​.

•••Pixabay