Was sind 3 Ähnlichkeiten zwischen Magneten und Elektrizität?

Elektrische und magnetische Kräfte sind zwei Kräfte, die in der Natur vorkommen. Obwohl sie auf den ersten Blick unterschiedlich erscheinen mögen, stammen sie beide aus Feldern, die mit geladenen Teilchen verbunden sind. Die beiden Kräfte haben drei Hauptähnlichkeiten, und Sie sollten mehr darüber erfahren, wie diese Phänomene entstehen.

Ladungen kommen in positive (+) und negative (-) Varianten vor. Der positive Grundladungsträger ist das Proton und der negative Ladungsträger ist das Elektron. Beide haben eine Ladung der Größe e = 1,602 × 10^-19 Coulomb.

Gegensätze ziehen sich an und mögen stoßen ab; zwei nahe beieinander platzierte positive Ladungen werdenabstoßen, oder erfahren Sie eine Kraft, die sie auseinander drückt. Das gleiche gilt für zwei negative Ladungen. Eine positive und eine negative Ladung werden jedochanziehengegenseitig.

Die Anziehung zwischen positiven und negativen Ladungen macht die meisten Gegenstände elektrisch neutral. Da es im Universum genauso viele positive wie negative Ladungen gibt und die anziehenden und abstoßenden Kräfte so wirken, wie sie es tun, neigen die Ladungen dazu,

Magnete haben in ähnlicher Weise Nord- und Südpole. Zwei magnetische Nordpole stoßen sich ebenso ab wie zwei magnetische Südpole, aber ein Nordpol und ein Südpol ziehen sich an.

Beachten Sie, dass ein anderes Phänomen, mit dem Sie wahrscheinlich vertraut sind, die Schwerkraft, nicht so ist. Die Schwerkraft ist eine anziehende Kraft zwischen zwei Massen. Es gibt nur eine „Art“ von Masse. Es gibt keine positiven und negativen Varianten wie Elektrizität und Magnetismus. Und diese eine Art von Masse ist immer anziehend und nicht abstoßend.

Es gibt jedoch einen deutlichen Unterschied zwischen Magneten und Ladungen, da Magnete immer als Dipol erscheinen. Das heißt, jeder Magnet hat immer einen Nord- und einen Südpol. Die beiden Pole können nicht getrennt werden.

Ein elektrischer Dipol kann auch dadurch erzeugt werden, dass eine positive und eine negative Ladung in geringem Abstand voneinander platziert werden, aber es ist immer möglich, diese Ladungen wieder zu trennen. Wenn Sie sich einen Stabmagneten mit Nord- und Südpol vorstellen und versuchen, ihn zu halbieren, um einen Norden und Süden trennen, stattdessen wären das Ergebnis zwei kleinere Magnete, beide mit eigenem Norden und Süden Stangen.

Wenn wir Elektrizität und Magnetismus mit anderen Kräften vergleichen, sehen wir einige deutliche Unterschiede. Die vier Grundkräfte des Universums sind die starken, elektromagnetischen, schwachen und die Gravitationskräfte. (Beachten Sie, dass elektrische und magnetische Kräfte mit demselben Wort beschrieben werden – dazu gleich mehr.)

Wenn wir die starke Kraft – die Kraft, die Nukleonen im Inneren eines Atoms zusammenhält – mit einer Größe von 1 betrachten, dann haben Elektrizität und Magnetismus eine relative Größe von 1/137. Die schwache Kraft – die für den Beta-Zerfall verantwortlich ist – hat eine relative Größe von 10^-6, und die Gravitationskraft hat eine relative Größe von 6 × 10^-39.

Das hast du richtig gelesen. Es war kein Tippfehler. Die Gravitationskraft ist im Vergleich zu allem anderen extrem schwach. Dies mag widersinnig erscheinen – schließlich ist die Schwerkraft die Kraft, die Planeten in Bewegung hält und unsere Füße auf dem Boden hält! Aber bedenken Sie, was passiert, wenn Sie eine Büroklammer mit einem Magneten oder ein Taschentuch mit statischer Elektrizität aufnehmen.

Die Kraft, die den einen kleinen Magneten oder statisch aufgeladenen Gegenstand hochzieht, kann der Anziehungskraft der gesamten Erde entgegenwirken, die an der Büroklammer oder dem Taschentuch zieht! Wir denken, dass die Schwerkraft nicht so viel stärker ist, weil sie es ist, sondern weil wir die Gravitationskraft eines ganzen Globus haben auf uns wirken, während sich Ladungen und Magnete aufgrund ihrer binären Natur oft so anordnen, dass sie neutralisiert.

Wenn wir genauer hinschauen und Elektrizität und Magnetismus wirklich vergleichen, sehen wir, dass es sich auf einer grundlegenden Ebene um zwei Aspekte desselben Phänomens handelt, das. genannt wirdElektromagnetismus. Bevor wir dieses Phänomen vollständig beschreiben, wollen wir uns ein tieferes Verständnis der beteiligten Konzepte verschaffen.

Was ist ein Feld? Manchmal ist es hilfreich, an etwas zu denken, das vertrauter erscheint. Die Schwerkraft ist wie Elektrizität und Magnetismus auch eine Kraft, die ein Feld erzeugt. Stellen Sie sich die Weltraumregion um die Erde vor.

Jede gegebene Masse im Weltraum wird eine Kraft spüren, die von der Größe ihrer Masse und ihrer Entfernung von der Erde abhängt. Wir stellen uns also vor, dass der Raum um die Erde aFeld, dh ein jedem Punkt im Raum zugewiesener Wert, der einen Hinweis darauf gibt, wie relativ groß und in welche Richtung eine entsprechende Kraft wäre. Die Größe des Gravitationsfeldes in einer Entfernungraus MasseM, ergibt sich beispielsweise durch die Formel:

WoGist die universelle Gravitationskonstante 6.67408 × 10^-11 ich³/(kgs²). Die mit diesem Feld an einem bestimmten Punkt verbundene Richtung wäre ein Einheitsvektor, der auf den Erdmittelpunkt zeigt.

Elektrische Felder funktionieren auf die gleiche Weise. Die Größe des elektrischen Feldes in einer Entfernungrab Punktladungqist durch die Formel gegeben:

Wokist die Coulomb-Konstante 8,99 × 10⁹ Nm²/C². Die Richtung dieses Feldes ist an jedem Punkt in Richtung der Ladungqwennqist negativ und von der Ladung entferntqwennqist positiv.

Beachten Sie, dass diese Felder einem inversen quadratischen Gesetz gehorchen. Wenn Sie sich also doppelt so weit entfernen, wird das Feld ein Viertel so stark. Um das von mehreren Punktladungen erzeugte elektrische Feld oder eine kontinuierliche Ladungsverteilung zu finden, würden wir einfach die Überlagerung finden oder eine Integration der Verteilung durchführen.

Magnetfelder sind etwas kniffliger, da Magnete immer als Dipole vorliegen. Eine Stärke des Magnetfelds wird oft durch den Buchstaben dargestelltB, und die genaue Formel dafür hängt von der Situation ab.

Die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus war den Wissenschaftlern erst mehrere Jahrhunderte nach den ersten Entdeckungen beider bekannt. Einige Schlüsselexperimente, die die Wechselwirkung zwischen den beiden Phänomenen untersuchten, führten schließlich zu dem Verständnis, das wir heute haben.

Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler erstmals, dass eine magnetische Kompassnadel abgelenkt werden konnte, wenn sie in der Nähe eines stromführenden Drahtes gehalten wurde. Es stellt sich heraus, dass ein stromdurchflossener Draht ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld eine Entfernungraus einem unendlich langen stromführenden Drahtichist durch die Formel gegeben:

Woμ​₀ ist die Vakuumdurchlässigkeit 4π​ × 10^-7 N / A². Die Richtung dieses Feldes ist gegeben durchrechte hand regel– Zeigen Sie mit dem Daumen der rechten Hand in Stromrichtung und wickeln Sie dann Ihre Finger kreisförmig um den Draht, der die Richtung des Magnetfelds anzeigt.

Diese Entdeckung führte zur Entwicklung von Elektromagneten. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen einen stromdurchflossenen Draht und wickeln ihn zu einer Spule. Die Richtung des resultierenden Magnetfeldes wird wie das Dipolfeld eines Stabmagneten aussehen!

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Magnetismus in einem Stabmagneten wird durch die Bewegung der Elektronen in den Atomen erzeugt, aus denen er besteht. Die sich bewegende Ladung in jedem Atom erzeugt ein kleines Magnetfeld. In den meisten Materialien sind diese Felder in alle Richtungen ausgerichtet, was zu keinem signifikanten Nettomagnetismus führt. Bei bestimmten Materialien, wie beispielsweise Eisen, ermöglicht die Materialzusammensetzung jedoch, dass diese Felder alle aufeinander abgestimmt sind.

Magnetismus ist also wirklich eine Manifestation von Elektrizität!

Es stellt sich heraus, dass nicht nur Magnetismus aus Elektrizität resultiert, sondern auch Elektrizität aus Magnetismus erzeugt werden kann. Diese Entdeckung wurde von Michael Faraday gemacht. Kurz nach der Entdeckung, dass Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen, fand Faraday einen Weg, Strom in einer Drahtspule zu erzeugen, indem er das Magnetfeld variierte, das durch die Mitte der Spule ging.

​Faradaysches Gesetzbesagt, dass der in einer Spule induzierte Strom in eine Richtung fließt, die der Änderung entgegenwirkt, die ihn verursacht hat. Damit ist gemeint, dass der induzierte Strom in eine Richtung fließt, die ein Magnetfeld erzeugt, das dem sich ändernden Magnetfeld, das ihn verursacht hat, entgegenwirkt. Im Wesentlichen versucht der induzierte Strom einfach, Feldänderungen entgegenzuwirken.

Wenn also das äußere Magnetfeld in die Spule zeigt und dann an Größe zunimmt, wird der Strom in eine solche Richtung fließen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das aus der Schleife zeigt, um dem entgegenzuwirken Veränderung. Wenn das äußere Magnetfeld in die Spule zeigt und an Größe abnimmt, dann fließt der Strom in eine solche Richtung, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das auch in die Spule zeigt, um der Veränderung entgegenzuwirken.

Faradays Entdeckung führte zur Technologie hinter den heutigen Stromgeneratoren. Um Elektrizität zu erzeugen, muss es eine Möglichkeit geben, das Magnetfeld zu variieren, das durch eine Drahtspule fließt. Sie können sich vorstellen, eine Drahtspule in Gegenwart eines starken Magnetfeldes zu drehen, um diese Veränderung zu bewirken. Dies geschieht oft auf mechanischem Wege, beispielsweise indem eine Turbine durch Wind oder fließendes Wasser bewegt wird.

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Die Ähnlichkeiten zwischen magnetischer Kraft und elektrischer Kraft sind vielfältig. Beide Kräfte wirken auf Ladungen und haben ihren Ursprung im gleichen Phänomen. Beide Kräfte haben vergleichbare Stärken, wie oben beschrieben.

Elektrische Kraft beim Ladenqwegen FeldEwird gegeben von:

Die magnetische Kraft auf die Ladungqmit Geschwindigkeit bewegenvwegen FeldBist durch das Lorentzkraftgesetz gegeben:

Eine andere Formulierung dieser Beziehung lautet:

Woichist der aktuelle undLdie Länge des Drahtes oder der Leiterbahn im Feld.

Neben den vielen Ähnlichkeiten zwischen Magnetkraft und elektrischer Kraft gibt es auch einige deutliche Unterschiede. Beachten Sie, dass die Magnetkraft keine stationäre Ladung (wenn v = 0, dann F = 0) oder eine parallel zur Feldrichtung bewegte Ladung beeinflusst (was zu einem Kreuzprodukt von 0 führt), und tatsächlich variiert der Grad, in dem die magnetische Kraft wirkt, mit dem Winkel zwischen der Geschwindigkeit und der Feld.

James Clerk Maxwell leitete einen Satz von vier Gleichungen her, die die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus mathematisch zusammenfassen. Diese Gleichungen lauten wie folgt:

Alle zuvor diskutierten Phänomene können mit diesen vier Gleichungen beschrieben werden. Noch interessanter ist jedoch, dass nach ihrer Ableitung eine Lösung dieser Gleichungen gefunden wurde, die mit dem bisher Bekannten nicht vereinbar zu sein schien. Diese Lösung beschrieb eine sich selbst ausbreitende elektromagnetische Welle. Aber als die Geschwindigkeit dieser Welle abgeleitet wurde, wurde Folgendes bestimmt:

Das ist Lichtgeschwindigkeit!

Welche Bedeutung hat das? Nun, es stellte sich heraus, dass Licht, ein Phänomen, dessen Eigenschaften Wissenschaftler seit geraumer Zeit erforschten, in Wirklichkeit ein elektromagnetisches Phänomen war. Deshalb wird es heute als bezeichnetelektromagnetische Strahlung​.

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