Mikä on sähkömagneettinen voima?

Kaikki ympäröivän maailmankaikkeuden monimutkaisuus tulee viime kädessä neljästä perusvoimasta: painovoima, vahva ydinvoima, heikko ydinvoima ja sähkömagneetti. Sähkömagneettisuus voi olla haastava tutkittava aihe, mutta sen voiman ja toiminnan perusteet melko suoraviivainen, ja erityisesti Lorentzin voimalaissa kerrotaan tärkeimmät kohdat, jotka sinun on tehtävä ymmärtää. Lyhyesti sanottuna sähkömagneettinen voima saa toisin kuin positiiviset ja negatiiviset varaukset houkuttelemaan toisiaan ja toisin kuin varaukset hylkäämään.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Sähkömagnetismi on yksi maailmankaikkeuden neljästä perusvoimasta. Siinä kuvataan, kuinka varatut hiukkaset reagoivat sähkö- ja magneettikenttiin, samoin kuin niiden väliset perusyhteydet. Sähkömagneettinen voima, kuten kaikki voimat, mitataan newtoneina.

Sähköstaattisia voimia kuvataan Coulombin lailla, ja sekä sähköiset että magneettiset voimat kuuluvat Lorentzin voimalakiin. Maxwellin neljä yhtälöä tarjoavat kuitenkin yksityiskohtaisimman kuvauksen sähkömagnetismista.

Termi sähkömagneettisuus yhdistää sähköiset ja magneettiset voimat yhdeksi sanaksi, koska molemmat voimat johtuvat samasta taustalla olevasta ilmiöstä. "Varautuneet" hiukkaset tuottavat sähkökenttiä, ja positiiviset ja negatiiviset varaukset reagoivat kyseiseen kenttään eri tavalla, mikä selittää havaitsemamme voiman. Sähköisiä vuorovaikutuksia varten positiivisesti varatut hiukkaset (kuten protonit) työntävät pois positiivisesti varatut hiukkaset ja houkuttelevat negatiivisesti varautuneita (kuten elektronit), ja päinvastoin. Sähkökenttäjohdot leviävät suoraan ulospäin positiivisista sähkövarauksista, ja tämä työntää hiukkasia kenttäjohteiden suuntaan - tai vastakkaiseen suuntaan.

Magnetismi tulee magneettikentistä, jotka syntyvät liikkuvien varausten avulla. Hiukkaset eivät reagoi magneettikenttiin samalla tavalla kuin sähkökenttiin. Magneettikentän viivat muodostavat ympyröitä ilman alkua tai loppua. Vastauksena heihin hiukkaset liikkuvat kohtisuorassa sekä heidän liikkeensä että kenttäviivan suhteen. Kuten sähkövoimien kohdalla, positiivisesti varautuneet ja negatiivisesti varatut hiukkaset liikkuvat vastakkaisiin suuntiin.

Sähkömagneettinen voima on toiseksi vahvin voima luonnossa. Vahva ydinvoima on vahvin, sähkömagneettiset voimat ovat 137 kertaa vähemmän voimakkaita, heikko ydinvoima on miljoona kertaa pienempi ja painovoima on paljon, paljon pienempi kuin muut (noin 6 × 10⁻³⁹ kertaa heikompi kuin vahva ydinvoima).

”Sähköstaattinen voima” tarkoittaa kiinteiden varausten tuottamaa sähkövoimaa. Se kuvataan yksinkertaisella yhtälöllä, joka tunnetaan nimellä Coulombin laki. Siinä todetaan, että:

Tässä,Ftarkoittaa voimaa,kon vakio,q​₁ jaq​₂ ovat maksuja jaron niiden välinen etäisyys. Suuremmat varaukset tuottavat suuremman voiman, ja suurempi erottaminen heikentää voiman voimaa. Kuten kaikkien voimien kohdalla, sähkömagneettinen voima mitataan newtoneina (N). Vakiokon tietty arvo, 9 × 10⁹ N m² / C². Lataus mitataan kulmina (C), ja syötät varauksen merkin (+ tai -) yhdessä voimakkuuden kanssa, joten yhtälöllä on positiivinen arvo hylkimiselle ja negatiivinen vetovoimalle.

Lorentzin voimalaki sisältää sekä magneettiset että sähköiset voimat, joten se on yksi parhaista esityksistä sähkömagneettisesta voimasta. Laissa todetaan:

Missä​E​on magneettikenttä,​v​on hiukkasen nopeus ja​B​on magneettikenttä. Nämä on lihavoitu, koska ne ovat vektoreita, joilla on sekä suunta että vahvuus ja×​ symboli on vektorituote eikä yksinkertainen kertolasku. Yhtälö kertoo meille, että kokonaisvoima on sähkökentän sekä hiukkasen ja magneettikentän nopeuden vektorituloksen summa kerrottuna hiukkasen varauksella. Vektorituote tuottaa voiman molempiin kohtisuorassa suunnassa edellisen osan mukaisesti.

Sähkömagneettisuus näkyy monissa muodoissaan jokapäiväisessä elämässä ja fysiikassa. Atomeja pitää yhdessä ytimen protonien ja sitä kiertävien elektronien välinen sähkömagneettinen vetovoima. Valo on sähkömagneettinen aalto, jossa värähtelevä sähkökenttä muodostaa muuttuvan magneettikentän, joka puolestaan ​​luo sähkökentän jne. Tämän ennustavat Maxwellin yhtälöt (neljä yhtälöä, jotka selittävät kaiken sähkömagneettisuudesta vektorilaskennan kielellä), mukaan lukien ominaisuusnopeus, jolla se kulkee.

Sähkömagneettisuus on vastuussa myös siitä, että sähkö virtaa näytölläsi ja laitteellasi, jolla luket sähköä. Sähkökenttien kuljettama sähkökentän linjoja pitkin tuottaa energiaa. Nämä esimerkit vain naarmuttavat sähkömagneettisesti selitettävän suuren määrän ilmiöitä.