¿Cuáles son las 3 similitudes entre los imanes y la electricidad?

Las fuerzas eléctricas y magnéticas son dos fuerzas que se encuentran en la naturaleza. Si bien a primera vista pueden parecer diferentes, ambos se originan en campos asociados con partículas cargadas. Las dos fuerzas tienen tres similitudes principales, y debería aprender más sobre cómo surgen estos fenómenos.

1 - Vienen en dos variedades opuestas

Los cargos vienen en variedades positivas (+) y negativas (-). El portador de carga positiva fundamental es el protón y el portador de carga negativa es el electrón. Ambos tienen una carga de magnitud e = 1,602 × 10-19 Culombios.

Los opuestos se atraen y los gustos se repelen; dos cargas positivas colocadas una cerca de la otrarepeler, o experimentar una fuerza que los separe. Lo mismo ocurre con dos cargas negativas. Sin embargo, una carga positiva y una negativaatraerEl uno al otro.

La atracción entre cargas positivas y negativas es lo que tiende a hacer que la mayoría de los elementos sean eléctricamente neutrales. Debido a que hay el mismo número de cargas positivas que negativas en el universo, y las fuerzas atractivas y repulsivas actúan como lo hacen, las cargas tienden a

neutralizar, o cancelarse entre sí.

Los imanes, de manera similar, tienen polos norte y sur. Dos polos norte magnéticos se repelerán al igual que dos polos sur magnéticos, pero un polo norte y un polo sur se atraerán entre sí.

Tenga en cuenta que otro fenómeno con el que probablemente esté familiarizado, la gravedad, no es así. La gravedad es una fuerza atractiva entre dos masas. Solo hay un "tipo" de masa. No viene en variedades positivas y negativas como la electricidad y el magnetismo. Y este tipo de masa siempre es atractivo y no repulsivo.

Sin embargo, existe una clara diferencia entre los imanes y las cargas, ya que los imanes siempre aparecen como un dipolo. Es decir, cualquier imán siempre tendrá un polo norte y sur. Los dos polos no se pueden separar.

También se puede crear un dipolo eléctrico colocando una carga positiva y negativa a una pequeña distancia, pero siempre es posible separar estas cargas nuevamente. Si imagina un imán de barra con sus polos norte y sur, y tratara de cortarlo por la mitad para hacer un separan el norte y el sur, en cambio, el resultado serían dos imanes más pequeños, ambos con su propio norte y sur polos.

2 - Su fuerza relativa en comparación con otras fuerzas

Si comparamos la electricidad y el magnetismo con otras fuerzas, vemos algunas diferencias claras. Las cuatro fuerzas fundamentales del universo son las fuerzas fuerte, electromagnética, débil y gravitacional. (Tenga en cuenta que las fuerzas eléctricas y magnéticas se describen con la misma palabra; más sobre esto en un momento).

Si consideramos que la fuerza fuerte, la fuerza que mantiene unidos a los nucleones dentro de un átomo, tiene una magnitud de 1, entonces la electricidad y el magnetismo tienen una magnitud relativa de 1/137. La fuerza débil, que es responsable de la desintegración beta, tiene una magnitud relativa de 10-6, y la fuerza gravitacional tiene una magnitud relativa de 6 × 10-39.

Has leído bien. No fue un error tipográfico. La fuerza gravitacional es extremadamente débil en comparación con todo lo demás. Esto puede parecer contradictorio; después de todo, ¡la gravedad es la fuerza que mantiene a los planetas en movimiento y mantiene nuestros pies en el suelo! Pero considere lo que sucede cuando toma un clip con un imán o un pañuelo con electricidad estática.

¡La fuerza que tira hacia arriba del pequeño imán o del elemento cargado estáticamente puede contrarrestar la fuerza gravitacional de toda la Tierra que tira del clip o del tejido! Pensamos que la gravedad es mucho más poderosa no porque lo sea, sino porque tenemos la fuerza gravitacional de todo un globo. actuando sobre nosotros en todo momento mientras que, debido a su naturaleza binaria, las cargas y los imanes a menudo se organizan neutralizado.

3 - La electricidad y el magnetismo son dos caras del mismo fenómeno

Si miramos más de cerca y realmente comparamos la electricidad y el magnetismo, vemos que en un nivel fundamental son dos aspectos del mismo fenómeno llamadoelectromagnetismo. Antes de describir completamente este fenómeno, obtengamos una comprensión más profunda de los conceptos involucrados.

Campos eléctricos y magnéticos

¿Qué es un campo? A veces es útil pensar en algo que le resulte más familiar. La gravedad, como la electricidad y el magnetismo, también es una fuerza que crea un campo. Imagina la región del espacio alrededor de la Tierra.

Cualquier masa dada en el espacio sentirá una fuerza que depende de la magnitud de su masa y su distancia de la Tierra. Así que imaginamos que el espacio alrededor de la Tierra contiene unacampo, es decir, un valor asignado a cada punto en el espacio que da alguna indicación de cuán relativamente grande y en qué dirección sería una fuerza correspondiente. La magnitud del campo gravitacional a una distanciarde misaMETRO, por ejemplo, viene dada por la fórmula:

E = {GM \ above {1pt} r ^ 2}

DóndeGRAMOes la constante gravitacional universal 6.67408 × 10-11 metro3/(kgs2). La dirección asociada con este campo en cualquier punto dado sería un vector unitario apuntando hacia el centro de la Tierra.

Los campos eléctricos funcionan de la misma manera. La magnitud del campo eléctrico a una distanciardesde la carga puntualqviene dado por la fórmula:

E = {kq \ above {1pt} r ^ 2}

Dóndekes la constante de Coulomb 8,99 × 109 Nuevo Méjico2/C2. La dirección de este campo en cualquier punto dado es hacia la cargaqSiqes negativo y no cargaqSiqes positivo.

Tenga en cuenta que estos campos obedecen a la ley del cuadrado inverso, por lo que si se aleja el doble, el campo se vuelve un cuarto de su fuerza. Para encontrar el campo eléctrico generado por varias cargas puntuales, o una distribución continua de carga, simplemente encontraríamos la superposición o realizaríamos una integración de la distribución.

Los campos magnéticos son un poco más complicados porque los imanes siempre vienen como dipolos. Una magnitud del campo magnético a menudo se representa con la letraB, y la fórmula exacta depende de la situación.

Entonces, ¿de dónde viene el magnetismo?En realidad¿Viene de?

La relación entre la electricidad y el magnetismo no fue evidente para los científicos hasta varios siglos después de los descubrimientos iniciales de cada uno. Algunos experimentos clave que exploraron la interacción entre los dos fenómenos finalmente llevaron a la comprensión que tenemos hoy.

Los cables portadores de corriente crean un campo magnético

A principios del siglo XIX, los científicos descubrieron por primera vez que la aguja de una brújula magnética podía desviarse cuando se sostenía cerca de un cable que transportaba corriente. Resulta que un cable portador de corriente crea un campo magnético. Este campo magnético a una distanciarde un cable infinitamente largo que transporta corrienteIviene dado por la fórmula:

B = {\ mu_0 I \ above {1pt} 2 \ pi r}

Dóndeμ0 es la permeabilidad al vacío 4π​ × 10-7 N / A2. La dirección de este campo viene dada por elregla de la mano derecha- apunte el pulgar de su mano derecha en la dirección de la corriente, y luego sus dedos envuelvan el cable en un círculo que indique la dirección del campo magnético.

Este descubrimiento condujo a la creación de electroimanes. Imagínese tomando un cable portador de corriente y envolviéndolo en una bobina. ¡La dirección del campo magnético resultante se verá como el campo dipolo de un imán de barra!

El campo magnético generado por un bucle de alambre es similar al de un imán de barra.

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Pero, ¿qué pasa con los imanes de barra? ¿De dónde proviene su magnetismo?

El magnetismo en una barra magnética se genera por el movimiento de los electrones en los átomos que lo componen. La carga en movimiento de cada átomo crea un pequeño campo magnético. En la mayoría de los materiales, estos campos están orientados en todas direcciones, lo que no genera un magnetismo neto significativo. Pero en ciertos materiales, como el hierro, la composición del material permite que todos estos campos se alineen.

¡Entonces el magnetismo es realmente una manifestación de la electricidad!

¡Pero espera hay mas!

Resulta que el magnetismo no solo es el resultado de la electricidad, sino que la electricidad se puede generar a partir del magnetismo. Este descubrimiento fue realizado por Michael Faraday. Poco después del descubrimiento de que la electricidad y el magnetismo estaban relacionados, Faraday encontró una forma de generar corriente en una bobina de alambre variando el campo magnético que pasa por el centro de la bobina.

Ley de Faradayestablece que la corriente inducida en una bobina fluirá en una dirección opuesta al cambio que la provocó. Lo que se quiere decir con esto es que la corriente inducida fluirá en una dirección que genera un campo magnético que se opone al campo magnético cambiante que la causó. En esencia, la corriente inducida simplemente intenta contrarrestar cualquier cambio de campo.

Entonces, si el campo magnético externo apunta hacia la bobina y luego aumenta en magnitud, la corriente Fluir en tal dirección para crear un campo magnético que apunta hacia afuera del bucle para contrarrestar este cambio. Si el campo magnético externo apunta hacia la bobina y disminuye en magnitud, entonces la corriente fluirá en tal dirección para crear un campo magnético que también apunte hacia la bobina para contrarrestar el cambio.

El descubrimiento de Faraday condujo a la tecnología detrás de los generadores de energía actuales. Para generar electricidad, es necesario que haya una forma de variar el campo magnético que pasa a través de una bobina de alambre. Puede imaginarse girando una bobina de alambre en presencia de un fuerte campo magnético para realizar este cambio. Esto a menudo se hace por medios mecánicos, como una turbina movida por el viento o el agua que fluye.

Las turbinas eólicas utilizan la inducción electromagnética para transformar la energía mecánica en energía eléctrica.

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Similitudes entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica

Las similitudes entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica son muchas. Ambas fuerzas actúan sobre cargas y tienen su origen en el mismo fenómeno. Ambas fuerzas tienen fuerzas comparables, como se describió anteriormente.

Fuerza eléctrica en cargaqdebido al campomies dado por:

\ vec {F} = q \ vec {E}

La fuerza magnética en cargaqmoviéndose con velocidadvdebido al campoBviene dada por la ley de fuerza de Lorentz:

vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}

Otra formulación de esta relación es:

vec {F} = \ vec {I} L \ times \ vec {B}

DóndeIes la actual yLla longitud del cable o la ruta conductora en el campo.

Además de las muchas similitudes entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica, también existen algunas diferencias claras. Tenga en cuenta que la fuerza magnética no afectará una carga estacionaria (si v = 0, entonces F = 0) o una carga que se mueva en paralelo a la dirección del campo (que da como resultado un producto cruzado 0), y de hecho el grado en el que actúa la fuerza magnética varía con el ángulo entre la velocidad y la campo.

Relación entre electricidad y magnetismo

James Clerk Maxwell derivó un conjunto de cuatro ecuaciones que resumen matemáticamente la relación entre la electricidad y el magnetismo. Estas ecuaciones son las siguientes:

\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ parcial \ vec {B}} {\ parcial t} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ partial \ vec {E}} {\ partial t}

Todos los fenómenos discutidos anteriormente se pueden describir con estas cuatro ecuaciones. Pero aún más interesante es que después de su derivación, se encontró una solución a estas ecuaciones que no parecía consistente con lo que se conocía anteriormente. Esta solución describe una onda electromagnética autopropagada. Pero cuando se derivó la velocidad de esta onda, se determinó que era:

\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299,792,485 m / s

¡Esta es la velocidad de la luz!

¿Cuál es el significado de esto? Bueno, resulta que la luz, un fenómeno del que los científicos habían estado explorando las propiedades durante bastante tiempo, era en realidad un fenómeno electromagnético. Es por eso que hoy lo ves referido comoradiación electromagnética​.

Onda electromagnética con campos eléctricos y magnéticos que oscilan en direcciones perpendiculares.

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