Elektri- ja magnetjõud on kaks looduses leiduvat jõudu. Kuigi esmapilgul võivad need tunduda erinevad, pärinevad nad mõlemad laetud osakestega seotud väljadest. Nendel kahel jõul on kolm peamist sarnasust ja peaksite rohkem teada saama, kuidas need nähtused tekivad.
1 - neid on kahes vastandlikus sordis
Tasud on positiivsed (+) ja negatiivsed (-). Põhiline positiivse laengu kandja on prooton ja negatiivse laengu kandja on elektron. Mõlemal on laeng suurusjärgus e = 1,602 × 10-19 Coulombid.
Vastandid meelitavad ja neile meeldib tõrjuda; kaks üksteise lähedale asetatud positiivset laenguttõrjumavõi kogege jõudu, mis neid lahutab. Sama kehtib kahe negatiivse laengu kohta. Positiivne ja negatiivne laeng aga saavadmeelitadaüksteist.
Tõmme positiivsete ja negatiivsete laengute vahel on see, mis muudab enamuse esemetest elektriliselt neutraalseks. Kuna universumis on sama palju positiivseid kui negatiivseid laenguid ning atraktiivsed ja eemaletõukavad jõud toimivad nii, nagu nad käituvad, kipuvad laengudneutraliseeridavõi tühistage üksteist.
Magnetitel on sarnaselt põhja- ja lõunapoolus. Kaks magnetilist põhjapoolust tõrjuvad üksteist nagu ka kaks magnetilist lõunapoolust, kuid põhjapoolus ja lõunapoolus tõmbavad üksteist.
Pange tähele, et teine teile tõenäoliselt tuttav nähtus, raskusjõud, pole selline. Gravitatsioon on atraktiivne jõud kahe massi vahel. On ainult üks massitüüp. See ei tule positiivsetes ja negatiivsetes variantides, nagu seda teeb elekter ja magnetism. Ja see ühte tüüpi mass on alati atraktiivne ega ole vastumeelne.
Magnetitel ja laengutel on siiski selge erinevus, kuna magnetid ilmuvad alati dipoolina. See tähendab, et igal magnetil on alati põhja- ja lõunapoolus. Neid kahte poolust ei saa lahutada.
Elektrilise dipooli saab luua ka positiivse ja negatiivse laengu paigutamise teel mõnele väikesele kaugusele, kuid alati on võimalik neid laenguid uuesti eraldada. Kui kujutate ette varraste magnetit selle põhja- ja lõunapoolusega ning peaksite proovima seda poolitada, et teha a eraldada põhja ja lõuna, tulemuseks oleks hoopis kaks väiksemat magnetit, mõlemal oma põhja ja lõuna postid.
2 - nende suhteline tugevus võrreldes teiste jõududega
Kui võrrelda elektrit ja magnetismi teiste jõududega, näeme mõningaid selgeid erinevusi. Universumi neli põhijõudu on tugevad, elektromagnetilised, nõrgad ja gravitatsioonijõud. (Pange tähele, et elektrilisi ja magnetilisi jõude kirjeldatakse ühe ja sama sõnaga - sellest pikemalt.)
Kui arvestada tugeva jõu - jõu, mis hoiab nukleone koos aatomi sees, suurusjärguks 1, siis elektri ja magnetismi suhteline suurus on 1/137. Nõrga jõu - mis vastutab beeta lagunemise eest - suhteline suurus on 10-6ja gravitatsioonijõu suhteline suurus on 6 × 10-39.
Sa lugesid seda õigesti. See ei olnud kirjaviga. Gravitatsioonijõud on kõige muuga võrreldes ülimalt nõrk. See võib tunduda vastuoluline - lõppude lõpuks on gravitatsioon jõud, mis hoiab planeedid liikvel ja hoiab jalad maa peal! Kuid mõelge, mis juhtub, kui võtate magnetiga kirjaklambri või staatilise elektriga kanga.
Väikest magnetit või staatiliselt laetud eset üles tõmbav jõud võib neutraliseerida kogu Maa gravitatsioonijõu, mis tõmbab kirjaklambrit või kude! Me arvame, et gravitatsioon on nii palju võimsam mitte sellepärast, et see on, vaid seetõttu, et meil on terve maakera gravitatsioonijõud tegutsedes kogu aeg meie vastu, samas kui laengud ja magnetid oma binaarse olemuse tõttu korraldavad end sageli nii, nagu nad on neutraliseeritud.
3 - elekter ja magnetism on sama nähtuse kaks külge
Kui vaatame lähemalt ja võrdleme tõepoolest elektrit ja magnetismi, näeme, et põhimõttelises plaanis on need sama nähtuse kaks aspekti, mida nimetatakseelektromagnetism. Enne kui me seda nähtust täielikult kirjeldame, laseme asjassepuutuvatest mõistetest sügavamalt aru saada.
Elektri- ja magnetväljad
Mis on väli? Mõnikord on kasulik mõelda millelegi, mis tundub tuttavam. Gravitatsioon, nagu elekter ja magnetism, on ka jõud, mis loob välja. Kujutage ette kosmosepiirkonda Maa ümber.
Iga antud mass ruumis tunneb jõudu, mis sõltub selle massi suurusest ja kaugusest Maast. Seega kujutame ette, et Maa ümbritsev ruum sisaldab avaldkonnas, see tähendab igale ruumipunktile omistatud väärtus, mis annab mingisuguse näite sellest, kui suhteliselt suur ja mis suunas vastav jõud oleks. Gravitatsioonivälja suurus kaugusrmassistMnäiteks on antud valemiga:
E = {GM \ üle {1pt} r ^ 2}
KusGon universaalne gravitatsioonikonstant 6,67408 × 10-11 m3/(kgs2). Selle väljaga seotud suvalises punktis oleks ühikvektor, mis osutab Maa keskele.
Elektriväljad töötavad samamoodi. Elektrivälja suurus kauguseltrpunktlaengustqon antud valemiga:
E = {kq \ üle {1pt} r ^ 2}
Kuskon Coulombi konstant 8,99 × 109 Nm2/ C2. Selle välja suund on igas punktis laengu suunasqkuiqon negatiivne ja laengust eemalqkuiqon positiivne.
Pange tähele, et need väljad järgivad pöördvälja seadust, nii et kui liigute kaks korda kaugemale, muutub väli veerandi tugevamaks. Mitme punktlaengu tekitatud elektrivälja või laengu pideva jaotuse leidmiseks leiaksime lihtsalt jaotuse superpositsiooni või integreeriksime selle.
Magnetväljad on veidi keerukamad, sest magnetid tulevad alati dipoolidena. Magnetvälja suurust tähistab sageli tähtB, ja selle täpne valem sõltub olukorrast.
Nii et kus magnetismTõestiPärit?
Elektri ja magnetismi suhe ilmnes teadlastele alles mitu sajandit pärast kummagi esmaseid avastusi. Mõned võtmekatsed, mis uurisid kahe nähtuse vastastikust mõju, viisid lõpuks mõistmiseni.
Praegused kandetraadid loovad magnetvälja
1800. aastate alguses avastasid teadlased esmakordselt, et magnetkompassi nõela saab voolu kandva traadi läheduses hoides kõrvale pöörata. Selgub, et voolu kandev traat tekitab magnetvälja. See magnetväli on vahemaarlõpmata pikast juhtmest, mis kannab vooluMinaon antud valemiga:
B = {\ mu_0 I \ üle {1pt} 2 \ pi r}
Kusμ0 on vaakumi läbilaskvus 4π × 10-7 Puudub2. Selle välja suuna annabparema käe reegel- suunake oma parema käe pöial voolu suunas ja seejärel mähkige sõrmed traadi ümber ringi, mis näitab magnetvälja suunda.
See avastus viis elektromagnetite loomiseni. Kujutage ette, et võtate voolu kandva traadi ja mähkite selle mähisesse. Saadud magnetvälja suund näeb välja nagu vardamagneti dipoolväli!
•••Pixabay
Aga kuidas on baarmagnetitega? Kust tuleb nende magnetism?
Magnetismi vardamagnetis tekitab seda sisaldavate aatomite elektronide liikumine. Igas aatomis liikuv laeng tekitab väikese magnetvälja. Enamikus materjalides on need väljad igal suunal orienteeritud, mis ei too kaasa märkimisväärset võrgumagnetismi. Kuid teatud materjalides, näiteks rauas, võimaldab materjali koostis nende väljade joondamist.
Nii et magnetism on tõesti elektrienergia ilming!
Aga oota, seal on rohkem!
Selgub, et magnetism ei teki mitte ainult elektrist, vaid magnetilisusest saab elektrit toota. Selle avastuse tegi Michael Faraday. Varsti pärast avastust, et elekter ja magnetism on omavahel seotud, leidis Faraday võimaluse traadi mähises voolu tekitada, muutes mähise keskosa läbivat magnetvälja.
Faraday seadusväidab, et mähises indutseeritud vool hakkab voolama suunas, mis on vastu selle põhjustanud muutusele. Selle all mõeldakse seda, et indutseeritud vool hakkab voolama suunas, mis tekitab magnetvälja, mis on vastu selle põhjustanud muutuvale magnetväljale. Sisuliselt üritab indutseeritud vool lihtsalt vastu astuda mis tahes väljamuutustele.
Niisiis, kui väline magnetväli on suunatud mähisesse ja seejärel suureneb, suureneb vool voolata sellises suunas, et tekitada silmusest välja suunatud magnetväli, et sellele vastu astuda muutus. Kui väline magnetväli on suunatud mähisesse ja selle suurus väheneb, siis vool voolab sellises suunas, et tekitada magnetväli, mis osutab ka mähisele, et muutust neutraliseerida.
Faraday avastus viis tänapäevaste elektrigeneraatorite taga oleva tehnoloogiani. Elektri tootmiseks peab olema võimalus traadimähist läbiva magnetvälja muutmiseks. Võite ette kujutada traadimähise keeramist tugeva magnetvälja juuresolekul, et see muudatus sisse viia. Seda tehakse sageli mehaaniliste vahenditega, näiteks tuule või voolava vee abil liigutatava turbiiniga.
•••Pixabay
Magnetjõu ja elektrijõu sarnasused
Magnetjõu ja elektrijõu sarnasused on palju. Mõlemad jõud tegutsevad laengutega ja nende päritolu on sama nähtus. Mõlemal jõul on võrreldav tugevus, nagu eespool kirjeldatud.
Elektriline jõud laetudqpõllu tõttuEannab:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Laetud magnetjõudqliikudes kiirusegavpõllu tõttuBon antud Lorentzi jõu seadusega:
vec {F} = q \ vec {v} \ korda \ vec {B}
Selle suhte teine sõnastus on:
vec {F} = \ vec {I} L \ korda \ vec {B}
KusMinaon praegune jaLjuhtme või juhtiva tee pikkus väljal.
Lisaks magnetilise jõu ja elektrilise jõu paljudele sarnasustele on ka mõned erinevad erinevused. Pange tähele, et magnetjõud ei mõjuta statsionaarset laengut (kui v = 0, siis F = 0) ega välja suunaga paralleelselt liikuvat laengut (mille tulemuseks on 0 risttoode) ja tegelikult varieerub magnetjõu toimimise määr kiiruse ja nurga vahelise nurga all valdkonnas.
Elektri ja magnetismi seos
James Clerk Maxwell tuletas neljast võrrandist koosneva komplekti, mis võtavad matemaatiliselt kokku elektri ja magnetismi seose. Need võrrandid on järgmised:
\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ osaline \ vec {B}} {\ osaline t} \\ \ tekst {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ osaline \ vec {E}} {\ osaline t}
Kõiki eelnevalt käsitletud nähtusi saab kirjeldada nende nelja võrrandiga. Kuid veelgi huvitavam on see, et pärast nende tuletamist leiti nendele võrranditele lahendus, mis ei tundunud olevat kooskõlas varem teadaolevaga. See lahendus kirjeldas iseenesest levivat elektromagnetlainet. Kuid kui selle laine kiirus tuletati, otsustati see olla:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299 792 485 m / s
See on valguse kiirus!
Mis on selle tähendus? Noh, selgub, et valgus, nähtus, mille teadlased olid juba pikka aega uurinud omadusi, oli tegelikult elektromagnetiline nähtus. Sellepärast näete täna, et sellele viidatakseelektromagnetiline kiirgus.
•••Pixabay