Όλη η πολυπλοκότητα του σύμπαντος γύρω μας προέρχεται τελικά από τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις: τη βαρύτητα, την ισχυρή πυρηνική δύναμη, την αδύναμη πυρηνική δύναμη και τον ηλεκτρομαγνητισμό. Ο ηλεκτρομαγνητισμός μπορεί να είναι ένα δύσκολο θέμα για μελέτη, αλλά τα βασικά στοιχεία για το ποια είναι η δύναμη και πώς λειτουργεί αρκετά απλή, και ο νόμος περί δυνάμεων Lorentz, συγκεκριμένα, σας λέει τα βασικά σημεία που χρειάζεστε καταλαβαίνουν. Με λίγα λόγια, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη προκαλεί αντίθετα φορτία - θετικά και αρνητικά - να προσελκύσουν το ένα το άλλο και σε αντίθεση με τα φορτία να απωθούν.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος. Περιγράφει πώς τα φορτισμένα σωματίδια αντιδρούν στα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, καθώς και στους θεμελιώδεις δεσμούς μεταξύ τους. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, όπως όλες οι δυνάμεις, μετράται σε Newtons.
Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις περιγράφονται από τον νόμο του Coulomb και τόσο οι ηλεκτρικές όσο και οι μαγνητικές δυνάμεις καλύπτονται από τον νόμο της δύναμης Lorentz. Ωστόσο, οι τέσσερις εξισώσεις του Maxwell παρέχουν την πιο λεπτομερή περιγραφή του ηλεκτρομαγνητισμού.
Ηλεκτρομαγνητισμός: Τα βασικά
Ο όρος ηλεκτρομαγνητισμός συνδυάζει τις ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις σε μία λέξη επειδή και οι δύο δυνάμεις οφείλονται στο ίδιο υποκείμενο φαινόμενο. Τα «φορτισμένα» σωματίδια δημιουργούν ηλεκτρικά πεδία και τα θετικά και αρνητικά φορτία αντιδρούν σε αυτό το πεδίο διαφορετικά, γεγονός που εξηγεί τη δύναμη που παρατηρούμε. Για ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις, τα θετικά φορτισμένα σωματίδια (όπως τα πρωτόνια) απομακρύνουν τα θετικά φορτισμένα σωματίδια και προσελκύουν αρνητικά φορτισμένα (όπως τα ηλεκτρόνια) και το αντίστροφο. Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου απλώνονται απευθείας προς τα έξω από θετικά ηλεκτρικά φορτία και αυτό ωθεί τα σωματίδια προς την κατεύθυνση - ή προς την αντίθετη κατεύθυνση προς - τις γραμμές πεδίου.
Ο μαγνητισμός προέρχεται από μαγνητικά πεδία, τα οποία δημιουργούνται από κινούμενα φορτία. Τα σωματίδια δεν αποκρίνονται στα μαγνητικά πεδία με τον ίδιο τρόπο όπως και στα ηλεκτρικά πεδία. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου σχηματίζουν κύκλους, χωρίς αρχή ή τέλος. Σε απάντηση σε αυτά, τα σωματίδια κινούνται σε κατεύθυνση κάθετη τόσο στην κίνησή τους όσο και στη γραμμή πεδίου. Όπως και με τις ηλεκτρικές δυνάμεις, τα θετικά φορτισμένα σωματίδια και τα αρνητικά φορτισμένα κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι η δεύτερη ισχυρότερη δύναμη στη φύση. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι η ισχυρότερη, οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις είναι 137 φορές λιγότερο ισχυρές, η Η αδύναμη πυρηνική δύναμη είναι ένα εκατομμύριο φορές μικρότερη και η βαρύτητα είναι πολύ, πολύ μικρότερη από τις υπόλοιπες (περίπου 6 × 10−39 φορές πιο αδύναμη από την ισχυρή πυρηνική δύναμη).
Ηλεκτροστατικές δυνάμεις και νόμος Coulomb
Η «ηλεκτροστατική δύναμη» αναφέρεται στην ηλεκτρική δύναμη που παράγεται από στατικά φορτία. Περιγράφεται από μια απλή εξίσωση γνωστή ως νόμος του Coulomb. Αυτό δηλώνει ότι:
F = \ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}
Εδώ,φάσημαίνει δύναμη,κείναι μια σταθερά,ε1 καιε2 είναι οι χρεώσεις καιρείναι η απόσταση μεταξύ τους. Τα μεγαλύτερα φορτία παράγουν μεγαλύτερη δύναμη και περισσότερος διαχωρισμός αποδυναμώνει τη δύναμη της δύναμης. Όπως με όλες τις δυνάμεις, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μετριέται σε Newtons (N). Η σταθεράκέχει μια συγκεκριμένη τιμή, 9 × 109 Νμ2 / Γ2. Η φόρτιση μετριέται σε coulombs (C) και εισάγετε το σύμβολο της φόρτισης (+ ή -) μαζί με τη δύναμη, έτσι η εξίσωση έχει θετική τιμή για την απώθηση και αρνητική για έλξη.
Ο νόμος του Lorentz Force
Ο νόμος περί δύναμης Lorentz ενσωματώνει τόσο μαγνητικές όσο και ηλεκτρικές δυνάμεις, οπότε είναι μια από τις καλύτερες παραστάσεις της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Ο νόμος ορίζει:
\ bold {F} = q (\ έντονα {E} + \ έντονα {v} \ φορές \ έντονα {B})
Οπουμιείναι το μαγνητικό πεδίο,βείναι η ταχύτητα του σωματιδίου, καισιείναι το μαγνητικό πεδίο. Αυτά είναι τολμηρά επειδή είναι διανύσματα, τα οποία έχουν κατεύθυνση καθώς και δύναμη, και το× Το σύμβολο είναι ένα διανυσματικό προϊόν και όχι ένας απλός πολλαπλασιασμός. Η εξίσωση μας λέει ότι η συνολική δύναμη είναι το άθροισμα του ηλεκτρικού πεδίου και το διανυσματικό προϊόν της ταχύτητας του σωματιδίου και του μαγνητικού πεδίου, πολλαπλασιασμένα επί το φορτίο του σωματιδίου. Το προϊόν φορέα παράγει μια δύναμη σε κατεύθυνση κάθετη και στα δύο, σύμφωνα με το προηγούμενο τμήμα.
Ηλεκτρομαγνητισμός σε δράση: Άτομα, φως, ηλεκτρική ενέργεια και άλλα
Ο ηλεκτρομαγνητισμός εμφανίζεται με πολλές μορφές στην καθημερινή ζωή και τη φυσική. Τα άτομα συγκρατούνται από την ηλεκτρομαγνητική έλξη μεταξύ των πρωτονίων στον πυρήνα και των ηλεκτρονίων σε τροχιά γύρω από αυτό. Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, όπου ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, και ούτω καθεξής. Αυτό προβλέπεται από τις εξισώσεις του Maxwell (τέσσερις εξισώσεις που εξηγούν τα πάντα για τον ηλεκτρομαγνητισμό στη γλώσσα του φορέα του λογισμού), συμπεριλαμβανομένης της χαρακτηριστικής ταχύτητας στην οποία ταξιδεύει.
Ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι επίσης υπεύθυνος για την ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτεί την οθόνη σας και τη συσκευή στην οποία διαβάζετε, με τη ροή ηλεκτρονίων να κινούνται κατά μήκος γραμμών ηλεκτρικού πεδίου που παρέχουν την ενέργεια. Αυτά τα παραδείγματα χαράζουν μόνο την επιφάνεια του μεγάλου εύρους φαινομένων που εξηγούνται από τον ηλεκτρομαγνητισμό.