Ποιες είναι οι 3 ομοιότητες μεταξύ μαγνητών και ηλεκτρικής ενέργειας;

Οι ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις είναι δύο δυνάμεις που βρίσκονται στη φύση. Ενώ με την πρώτη ματιά μπορεί να φαίνονται διαφορετικά, και οι δύο προέρχονται από πεδία που σχετίζονται με φορτισμένα σωματίδια. Οι δύο δυνάμεις έχουν τρεις κύριες ομοιότητες και θα πρέπει να μάθετε περισσότερα για το πώς προκύπτουν αυτά τα φαινόμενα.

Οι χρεώσεις διατίθενται σε θετικές (+) και αρνητικές (-) ποικιλίες. Ο θεμελιώδης θετικός φορέας φορτίου είναι το πρωτόνιο και ο φορέας αρνητικού φορτίου είναι το ηλεκτρόνιο. Και οι δύο έχουν φόρτιση μεγέθους e = 1,602 × 10^-19 Κουλούμπ.

Τα αντίθετα προσελκύουν και τους αρέσει να απωθούν. δύο θετικές χρεώσεις που τοποθετούνται το ένα κοντά στο άλλοαποκρούω, ή βιώστε μια δύναμη που τους σπρώχνει. Το ίδιο ισχύει και για δύο αρνητικές χρεώσεις. Ωστόσο, μια θετική και αρνητική επιβάρυνσηπροσελκύωο ένας τον άλλον.

Η έλξη μεταξύ θετικών και αρνητικών φορτίων είναι αυτό που τείνει να κάνει τα περισσότερα είδη ηλεκτρικά ουδέτερα. Επειδή υπάρχει ο ίδιος αριθμός θετικών με αρνητικά φορτία στο σύμπαν, και οι ελκυστικές και απωθητικές δυνάμεις ενεργούν με τον τρόπο που κάνουν, τα φορτία τείνουν να

Οι μαγνήτες, ομοίως, έχουν βόρειους και νότιους πόλους. Δύο μαγνητικοί βόρειοι πόλοι θα απωθούν ο ένας τον άλλον, όπως και δύο μαγνητικοί νότιοι πόλοι, αλλά ένας βόρειος πόλος και ένας νότιος πόλος θα προσελκύσουν ο ένας τον άλλον.

Σημειώστε ότι ένα άλλο φαινόμενο που πιθανώς γνωρίζετε, η βαρύτητα, δεν είναι έτσι. Η βαρύτητα είναι μια ελκυστική δύναμη ανάμεσα σε δύο μάζες. Υπάρχει μόνο ένας «τύπος» μάζας. Δεν έρχεται σε θετικές και αρνητικές ποικιλίες όπως η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός. Και αυτός ο τύπος μάζας είναι πάντα ελκυστικός και όχι απωθητικός.

Υπάρχει μια διαφορά μεταξύ των μαγνητών και των φορτίων, ωστόσο, στο ότι οι μαγνήτες εμφανίζονται πάντα ως δίπολο. Δηλαδή, κάθε δεδομένος μαγνήτης θα έχει πάντα βόρειο και νότιο πόλο. Οι δύο πόλοι δεν μπορούν να διαχωριστούν.

Ένα ηλεκτρικό δίπολο μπορεί επίσης να δημιουργηθεί τοποθετώντας ένα θετικό και αρνητικό φορτίο σε κάποια μικρή απόσταση, αλλά είναι πάντα δυνατό να διαχωριστούν ξανά αυτά τα φορτία. Αν φανταστείτε έναν μαγνήτη ράβδου με τους βόρειους και νότιους πόλους του, και θα προσπαθούσατε να τον κόψετε στο μισό για να φτιάξετε ένα χωρίστε βόρεια και νότια, αντίθετα το αποτέλεσμα θα ήταν δύο μικρότεροι μαγνήτες, και οι δύο με το δικό τους βόρειο και νότο πόλους.

Αν συγκρίνουμε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό με άλλες δυνάμεις, βλέπουμε κάποιες διαφορετικές διαφορές. Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος είναι οι ισχυρές, ηλεκτρομαγνητικές, αδύναμες και βαρυτικές δυνάμεις. (Σημειώστε ότι οι ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις περιγράφονται με την ίδια λέξη - περισσότερα σε αυτό λίγο.)

Αν θεωρήσουμε ότι η ισχυρή δύναμη - η δύναμη που συγκρατεί τα νουκλεόνια στο εσωτερικό ενός ατόμου - έχει μέγεθος 1, τότε η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός έχουν σχετικό μέγεθος 1/137. Η ασθενής δύναμη - η οποία είναι υπεύθυνη για τη διάσπαση βήτα - έχει σχετικό μέγεθος 10^-6, και η βαρυτική δύναμη έχει σχετικό μέγεθος 6 × 10^-39.

Διαβάζεις σωστά. Δεν ήταν τυπογραφικό λάθος. Η βαρυτική δύναμη είναι εξαιρετικά αδύναμη σε σύγκριση με οτιδήποτε άλλο. Αυτό μπορεί να φαίνεται αντίθετο - τελικά, η βαρύτητα είναι η δύναμη που κρατά τους πλανήτες σε κίνηση και κρατά τα πόδια μας στο έδαφος! Αλλά σκεφτείτε τι συμβαίνει όταν παίρνετε ένα συνδετήρα με μαγνήτη ή έναν ιστό με στατικό ηλεκτρισμό.

Η δύναμη που τραβά προς τα πάνω έναν μικρό μαγνήτη ή ένα στατικά φορτισμένο αντικείμενο μπορεί να αντισταθμίσει τη βαρυτική δύναμη ολόκληρης της Γης που τραβάει το συνδετήρα ή τον ιστό! Πιστεύουμε ότι η βαρύτητα είναι πολύ πιο ισχυρή όχι επειδή είναι, αλλά επειδή έχουμε τη βαρυτική δύναμη ενός ολόκληρου πλανήτη ενεργούν πάντα σε εμάς ενώ, λόγω της δυαδικής τους φύσης, τα φορτία και οι μαγνήτες τακτοποιούνται συχνά έτσι ώστε να είναι εξουδετερώνεται.

Αν κοιτάξουμε πιο προσεκτικά και συγκρίνουμε πραγματικά τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό, βλέπουμε ότι σε θεμελιώδες επίπεδο είναι δύο πτυχές του ίδιου φαινομένου που ονομάζονταιηλεκτρομαγνητισμός. Προτού περιγράψουμε πλήρως αυτό το φαινόμενο, ας πάρουμε μια βαθύτερη κατανόηση των εννοιών που εμπλέκονται.

Τι είναι το πεδίο; Μερικές φορές είναι χρήσιμο να σκεφτόμαστε κάτι που φαίνεται πιο οικείο. Η βαρύτητα, όπως ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός, είναι επίσης μια δύναμη που δημιουργεί ένα πεδίο. Φανταστείτε την περιοχή του διαστήματος γύρω από τη Γη.

Οποιαδήποτε δεδομένη μάζα στο διάστημα θα νιώσει μια δύναμη που εξαρτάται από το μέγεθος της μάζας της και την απόστασή της από τη Γη. Φανταζόμαστε λοιπόν ότι ο χώρος γύρω από τη Γη περιέχει έναπεδίο, δηλαδή, μια τιμή που εκχωρείται σε κάθε σημείο στο διάστημα που δίνει κάποια ένδειξη για το πόσο μεγάλο είναι και σε ποια κατεύθυνση θα ήταν μια αντίστοιχη δύναμη. Το μέγεθος του βαρυτικού πεδίου σε απόστασηραπό τη μάζαΜ, για παράδειγμα, δίνεται από τον τύπο:

Οπουσολείναι η καθολική σταθερά βαρύτητας 6,67408 × 10^-11 Μ³/(kgs²). Η κατεύθυνση που σχετίζεται με αυτό το πεδίο σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο θα ήταν ένας φορέας μονάδας που δείχνει προς το κέντρο της Γης.

Τα ηλεκτρικά πεδία λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο. Το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου σε απόστασηραπό τη χρέωση σημείουεδίνεται από τον τύπο:

Οπουκείναι η σταθερά Coulomb 8,99 × 10⁹ Νμ²/ΝΤΟ². Η κατεύθυνση αυτού του πεδίου σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο είναι προς το φορτίοεανεείναι αρνητικό και μακριά από φόρτισηεανεείναι θετικό.

Σημειώστε ότι αυτά τα πεδία συμμορφώνονται με έναν αντίστροφο τετράγωνο νόμο, οπότε αν μετακινηθείτε δύο φορές μακριά, το πεδίο γίνεται ένα τέταρτο όσο ισχυρότερο. Για να βρούμε το ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από διάφορα σημεία, ή από μια συνεχή κατανομή φόρτισης, θα βρούμε απλώς την υπέρθεση ή θα πραγματοποιήσουμε μια ολοκλήρωση της διανομής.

Τα μαγνητικά πεδία είναι λίγο πιο δύσκολα επειδή οι μαγνήτες έρχονται πάντα ως δίπολα. Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου αντιπροσωπεύεται συχνά από το γράμμασικαι η ακριβής φόρμουλα εξαρτάται από την κατάσταση.

Η σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού δεν ήταν εμφανής στους επιστήμονες μέχρι αρκετούς αιώνες μετά τις αρχικές ανακαλύψεις του καθενός. Ορισμένα βασικά πειράματα που διερευνούν την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο φαινομένων οδήγησαν τελικά στην κατανόηση που έχουμε σήμερα.

Στις αρχές του 1800 οι επιστήμονες ανακάλυψαν για πρώτη φορά ότι μια βελόνα μαγνητικής πυξίδας θα μπορούσε να εκτρέπεται όταν συγκρατείται κοντά σε ένα καλώδιο που φέρει ρεύμα. Αποδεικνύεται ότι ένα τρέχον καλώδιο μεταφοράς δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό το μαγνητικό πεδίο σε απόστασηραπό ένα απείρως μακρύ καλώδιο μεταφοράς ρεύματοςΕγώδίνεται από τον τύπο:

Οπουμ​₀ είναι η διαπερατότητα κενού 4π​ × 10^-7 ΟΧΙ². Η κατεύθυνση αυτού του πεδίου δίνεται από τοκανόνας δεξιού χεριού- στρέψτε τον αντίχειρα του δεξιού σας χεριού προς την κατεύθυνση του ρεύματος και, στη συνέχεια, τα δάχτυλά σας τυλίγουν γύρω από το καλώδιο σε κύκλο που δείχνει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.

Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε στη δημιουργία ηλεκτρομαγνητών. Φανταστείτε να παίρνετε ένα τρέχον καλώδιο μεταφοράς και να το τυλίγετε σε ένα πηνίο. Η κατεύθυνση του προκύπτοντος μαγνητικού πεδίου θα μοιάζει με το διπολικό πεδίο ενός μαγνήτη ράβδου!

•••pixabay

Ο μαγνητισμός σε έναν μαγνήτη ράβδου δημιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων στα άτομα που το αποτελούν. Το κινούμενο φορτίο σε κάθε άτομο δημιουργεί ένα μικρό μαγνητικό πεδίο. Στα περισσότερα υλικά, αυτά τα πεδία είναι προσανατολισμένα με κάθε τρόπο, χωρίς αποτέλεσμα καθαρό μαγνητισμό. Αλλά σε ορισμένα υλικά, όπως το σίδερο, η σύνθεση του υλικού επιτρέπει σε όλα αυτά τα πεδία να ευθυγραμμιστούν.

Έτσι ο μαγνητισμός είναι πραγματικά μια εκδήλωση ηλεκτρικής ενέργειας!

Αποδεικνύεται ότι όχι μόνο ο μαγνητισμός προκύπτει από τον ηλεκτρισμό, αλλά ο ηλεκτρισμός μπορεί να παραχθεί από τον μαγνητισμό. Αυτή η ανακάλυψη έγινε από τον Michael Faraday. Λίγο μετά την ανακάλυψη ότι η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός σχετίζονται, ο Faraday βρήκε έναν τρόπο παραγωγής ρεύματος σε ένα πηνίο σύρματος μεταβάλλοντας το μαγνητικό πεδίο που διέρχεται από το κέντρο του πηνίου.

​Ο νόμος του Faradayδηλώνει ότι το ρεύμα που προκαλείται σε ένα πηνίο θα ρέει προς μια κατεύθυνση που αντιτίθεται στην αλλαγή που την προκάλεσε. Αυτό που σημαίνει αυτό είναι ότι το επαγόμενο ρεύμα θα ρέει προς μια κατεύθυνση που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που αντιτίθεται στο μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που το προκάλεσε. Στην ουσία, το επαγόμενο ρεύμα προσπαθεί απλώς να αντισταθμίσει τυχόν αλλαγές πεδίου.

Έτσι, εάν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δείχνει στο πηνίο και στη συνέχεια αυξάνεται σε μέγεθος, το ρεύμα θα ροή σε μια τέτοια κατεύθυνση για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που δείχνει έξω από το βρόχο για να αντισταθμιστεί αυτό αλλαγή. Εάν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δείχνει στο πηνίο και μειώνεται σε μέγεθος, τότε το ρεύμα θα ρέει σε μια τέτοια κατεύθυνση για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που επίσης δείχνει στο πηνίο για να αντισταθμίσει την αλλαγή.

Η ανακάλυψη του Faraday οδήγησε στην τεχνολογία πίσω από τους σημερινούς ηλεκτροπαραγωγούς. Προκειμένου να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια, πρέπει να υπάρχει ένας τρόπος μεταβολής του μαγνητικού πεδίου που διέρχεται από ένα πηνίο σύρματος. Μπορείτε να φανταστείτε την περιστροφή ενός συρμάτινου πηνίου παρουσία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου προκειμένου να επιτευχθεί αυτή η αλλαγή. Αυτό γίνεται συχνά με μηχανικά μέσα, όπως μια τουρμπίνα που κινείται από αέρα ή ρέον νερό.

•••pixabay

Οι ομοιότητες μεταξύ μαγνητικής δύναμης και ηλεκτρικής δύναμης είναι πολλές. Και οι δύο δυνάμεις ενεργούν με κατηγορίες και έχουν την καταγωγή τους στο ίδιο φαινόμενο. Και οι δύο δυνάμεις έχουν συγκρίσιμες αντοχές, όπως περιγράφεται παραπάνω.

Ηλεκτρική δύναμη με φόρτισηελόγω πεδίουμιδίνεται από:

Η μαγνητική δύναμη που φορτίζεταιεκινείται με ταχύτηταβλόγω πεδίουσιδίνεται από τον νόμο Lorentz force:

Μια άλλη διατύπωση αυτής της σχέσης είναι:

ΟπουΕγώείναι το τρέχον καιμεγάλοτο μήκος του καλωδίου ή της αγώγιμης διαδρομής στο χωράφι.

Εκτός από τις πολλές ομοιότητες μεταξύ της μαγνητικής δύναμης και της ηλεκτρικής δύναμης, υπάρχουν επίσης ορισμένες διακριτές διαφορές. Σημειώστε ότι η μαγνητική δύναμη δεν θα επηρεάσει ένα σταθερό φορτίο (εάν v = 0, τότε F = 0) ή ένα φορτίο που κινείται παράλληλα προς την κατεύθυνση του πεδίου (το οποίο οδηγεί σε 0 διασταυρούμενο προϊόν), και στην πραγματικότητα ο βαθμός στον οποίο δρα η μαγνητική δύναμη ποικίλλει ανάλογα με τη γωνία μεταξύ της ταχύτητας και της πεδίο.

Ο Τζέιμς Κλαρκ Μάξγουελ εξήγησε ένα σύνολο τεσσάρων εξισώσεων που συνοψίζουν μαθηματικά τη σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Αυτές οι εξισώσεις έχουν ως εξής:

Όλα τα φαινόμενα που συζητήθηκαν προηγουμένως μπορούν να περιγραφούν με αυτές τις τέσσερις εξισώσεις. Αλλά ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι μετά την παραγωγή τους, βρέθηκε μια λύση σε αυτές τις εξισώσεις που δεν φαινόταν συνεπής με αυτό που ήταν προηγουμένως γνωστό. Αυτή η λύση περιέγραψε ένα αυτο-πολλαπλασιαζόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Αλλά όταν προήλθε η ταχύτητα αυτού του κύματος, αποφασίστηκε να είναι:

Αυτή είναι η ταχύτητα του φωτός!

Ποια είναι η σημασία αυτού; Λοιπόν, αποδεικνύεται ότι το φως, ένα φαινόμενο που οι επιστήμονες εξερευνούσαν τις ιδιότητες εδώ και αρκετό καιρό, ήταν στην πραγματικότητα ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο. Γι 'αυτό σήμερα το βλέπετε ωςηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία​.

•••pixabay