Mitkä ovat 3 yhtäläisyyttä magneettien ja sähkön välillä?

Sähköiset ja magneettiset voimat ovat kaksi luonnossa esiintyvää voimaa. Vaikka ne saattavat ensi silmäyksellä vaikuttaa erilaisilta, ne molemmat ovat peräisin varautuneisiin hiukkasiin liittyvistä kentistä. Näillä kahdella voimalla on kolme pää yhtäläisyyttä, ja sinun pitäisi oppia lisää siitä, miten nämä ilmiöt syntyvät.

Maksut ovat positiivisia (+) ja negatiivisia (-). Perus positiivisen varauksen kantaja on protoni ja negatiivinen varauksen kantaja on elektroni. Molemmilla on varauksen suuruus e = 1,602 × 10^-19 Coulombit.

Vastakohdat houkuttelevat ja tykkäävät; kaksi lähelle sijoitettua positiivista varausta tuleekarkottaatai koe voima, joka työntää heidät erilleen. Sama pätee kahteen negatiiviseen lataukseen. Positiivinen ja negatiivinen varaus kuitenkin tulevatvetää puoleensatoisiaan.

Positiivisten ja negatiivisten varausten välinen vetovoima on se, mikä tekee useimmista kohteista sähköisesti neutraaleja. Koska maailmankaikkeudessa on yhtä paljon positiivisia varauksia kuin negatiivisia varauksia ja houkuttelevat ja vastenmieliset voimat toimivat samalla tavalla kuin ne, latauksilla on taipumus

Magneeteilla on vastaavasti pohjois- ja etelänavat. Kaksi magneettista pohjoisnapaa hylkää toisiaan samoin kuin kaksi magneettista etelänavaa, mutta pohjoisnapa ja etelänapa houkuttelevat toisiaan.

Huomaa, että toinen sinulle todennäköisesti tuttu ilmiö, painovoima, ei ole tällainen. Painovoima on houkutteleva voima kahden massan välillä. On vain yksi massatyyppi. Sitä ei tule positiivisissa ja negatiivisissa muunnelmissa, kuten sähkö ja magneetti. Ja tämä yhden tyyppinen massa on aina houkutteleva eikä vastenmielinen.

Magneettien ja varausten välillä on kuitenkin selkeä ero siinä, että magneetit näyttävät aina dipolina. Eli millä tahansa magneetilla on aina pohjois- ja etelänapa. Näitä kahta napaa ei voi erottaa toisistaan.

Sähköinen dipoli voidaan luoda myös sijoittamalla positiivinen ja negatiivinen varaus pienelle etäisyydelle toisistaan, mutta nämä varaukset on aina mahdollista erottaa uudelleen. Jos kuvitelet tangon magneetin pohjois- ja etelänavan kanssa, ja sinun pitäisi yrittää leikata se kahtia, jotta saat a erillään pohjoisesta ja etelästä, sen sijaan tulos olisi kaksi pienempää magneettia, molemmilla oma pohjoinen ja eteläinen pylväät.

Jos verrataan sähköä ja magneettisuutta muihin voimiin, näemme eroja. Maailmankaikkeuden neljä perusvoimaa ovat vahvat, sähkömagneettiset, heikot ja gravitaatiovoimat. (Huomaa, että sähköiset ja magneettiset voimat kuvataan samalla sanalla - lisää tästä hieman.)

Jos katsomme voimakkaan voiman - voiman, joka pitää nukleoneja yhdessä atomin sisällä - suuruusluokan 1, niin sähkön ja magnetismin suhteellinen suuruus on 1/137. Heikon voiman, joka on vastuussa beeta-hajoamisesta, suhteellinen suuruus on 10^-6ja painovoiman suhteellinen suuruus on 6 × 10^-39.

Luit sen oikein. Se ei ollut kirjoitusvirhe. Painovoima on erittäin heikko kaikkeen muuhun verrattuna. Tämä saattaa tuntua epäluuloiselta - loppujen lopuksi painovoima on voima, joka pitää planeetat liikkeessä ja pitää jalkamme maassa! Mutta mieti, mitä tapahtuu, kun otat paperiliittimen magneetilla tai paperilla, jolla on staattinen sähkö.

Pieni magneetti tai staattisesti varautunut esine vetävä voima voi torjua koko maapallon painovoimaa vetämällä paperiliittimestä tai kudoksesta! Mielestämme painovoima on paljon voimakkaampi ei siksi, että se on, vaan siksi, että meillä on koko maapallon painovoima toimii meitä vastaan ​​kaikkina aikoina, kun taas binaarisen luonteensa vuoksi varaukset ja magneetit järjestävät itsensä usein niin neutraloitu.

Jos tarkastelemme tarkemmin ja todella vertaamme sähköä ja magneettisuutta, näemme, että ne ovat perustasolla kaksi saman ilmiön näkökohtaa, joita kutsutaansähkömagneetti. Ennen kuin kuvaamme tätä ilmiötä kokonaisuudessaan, voimme saada syvällisemmän käsityksen käsitteistä.

Mikä on kenttä? Joskus on hyödyllistä ajatella jotain, joka näyttää tutummalta. Painovoima, kuten sähkö ja magneetti, on myös voima, joka luo kentän. Kuvittele avaruuden alue maapallon ympärillä.

Mikä tahansa annettu massa avaruudessa tuntee voiman, joka riippuu sen massan suuruudesta ja etäisyydestä maasta. Joten kuvittelemme, että maapallon ympärillä oleva tila sisältää aala, eli jokaiselle avaruuspisteelle annettu arvo, joka osoittaa jonkin verran kuinka suuri ja mihin suuntaan vastaava voima olisi. Painovoimakentän suuruus etäisyysrmassastaMesimerkiksi annetaan kaavalla:

MissäGon yleinen painovoiman vakio 6,67408 × 10^-11 m³/(kgs²). Tähän kenttään liittyvä suunta missä tahansa pisteessä olisi yksikkövektori, joka osoittaa kohti maapallon keskustaa.

Sähkökentät toimivat samalla tavalla. Sähkökentän suuruus etäisyydellärpisteestäqsaadaan kaavalla:

Missäkon Coulomb-vakio 8,99 × 10⁹ Nm²/ C². Tämän kentän suunta missä tahansa pisteessä on kohti varaustaqjosqon negatiivinen ja poissa latauksestaqjosqon positiivinen.

Huomaa, että nämä kentät noudattavat käänteistä neliölakia, joten jos siirryt kaksi kertaa kauemmaksi, kentästä tulee neljänneksen vahvempi. Useiden pistemaksujen tai jatkuvan varauksen jakauman tuottaman sähkökentän löytämiseksi löydämme yksinkertaisesti jakauman päällekkäisyyden tai integraation.

Magneettikentät ovat hieman hankalampia, koska magneetit tulevat aina dipoleina. Magneettikentän suuruutta edustaa usein kirjainB, ja sen tarkka kaava riippuu tilanteesta.

Sähkön ja magneettisuhteen suhde oli tiedemiehille ilmeinen vasta useita vuosisatoja kunkin alkuperäisten löytöjen jälkeen. Jotkut keskeiset kokeet, joissa tutkitaan näiden kahden ilmiön välistä vuorovaikutusta, johtivat lopulta ymmärrykseen, joka meillä on tänään.

1800-luvun alussa tiedemiehet havaitsivat ensimmäisen kerran, että magneettinen kompassineula voidaan taipua, kun sitä pidetään lähellä virtaa kuljettavaa johtoa. Osoittautuu, että virtaa kuljettava lanka luo magneettikentän. Tämä magneettikenttä on etäisyysräärettömän pitkältä johdolta, joka kuljettaa virtaaMinäsaadaan kaavalla:

Missäμ​₀ on tyhjiön läpäisevyys 4π​ × 10^-7 N / A². Tämän kentän suunnan antaaoikean käden sääntö- osoita oikean kätesi peukaloa virran suuntaan ja sitten sormesi kietoutuvat langan ympärille ympyrässä, joka osoittaa magneettikentän suunnan.

Tämä löytö johti sähkömagneettien luomiseen. Kuvittele, että otat virtajohdon ja kääritään sen kelaan. Tuloksena olevan magneettikentän suunta näyttää sauvan magneetin dipolikentältä!

•••Pixabay

Magnetismi tangomagneetissa syntyy elektronien liikkeestä sitä muodostavissa atomissa. Kunkin atomin liikkuva varaus luo pienen magneettikentän. Useimmissa materiaaleissa nämä kentät on suunnattu joka suuntaan, mikä ei aiheuta merkittävää nettomagneettisuutta. Mutta tietyissä materiaaleissa, kuten raudassa, materiaalikoostumus sallii näiden kenttien tasaantumisen.

Joten magnetismi on todella sähkön ilmentymä!

On käynyt ilmi, että magneettisuus ei johdu vain sähköstä, vaan sähköä voidaan tuottaa magnetismista. Tämän löydön teki Michael Faraday. Pian sen löydön jälkeen, että sähkö ja magnetismi olivat yhteydessä toisiinsa, Faraday löysi tavan tuottaa virtaa lankakelassa vaihtelemalla kelan keskustan läpi kulkevaa magneettikenttää.

​Faradayn lakitoteaa, että kelassa indusoitu virta kulkee suuntaan, joka vastustaa sen aiheuttaneen muutoksen. Tällä tarkoitetaan sitä, että indusoitu virta virtaa suuntaan, joka tuottaa magneettikentän, joka vastustaa sen aiheuttanutta muuttuvaa magneettikenttää. Pohjimmiltaan indusoitu virta yrittää yksinkertaisesti torjua kentän muutoksia.

Joten jos ulkoinen magneettikenttä osoittaa kelaan ja kasvaa sitten suuremmaksi, virta tulee virtaamaan sellaisessa suunnassa muodostamaan silmukasta osoittava magneettikenttä tämän torjumiseksi muuttaa. Jos ulkoinen magneettikenttä osoittaa kelaan ja pienenee suuruudeltaan, virta virtaa sellaisessa suunnassa luoda magneettikenttä, joka osoittaa myös kelaan muutoksen torjumiseksi.

Faradayn löytö johti tekniikkaan nykypäivän sähköntuottajien takana. Sähkön tuottamiseksi on oltava tapa muuttaa langan kelan läpi kulkevaa magneettikenttää. Voit kuvitella lankakelan kääntämistä voimakkaan magneettikentän läsnä ollessa tämän muutoksen toteuttamiseksi. Tämä tehdään usein mekaanisilla keinoilla, kuten tuulen tai virtaavan veden liikuttamalla turbiinilla.

•••Pixabay

Magneettivoiman ja sähkövoiman yhtäläisyyksiä on paljon. Molemmat voimat vaikuttavat maksuihin ja ovat peräisin samasta ilmiöstä. Molemmilla voimilla on verrattavissa olevat vahvuudet, kuten edellä on kuvattu.

Sähkövoima ladattunaqkentän takiaEantaa:

Magneettinen voima latauksessaqliikkuu nopeudellavkentän takiaBannetaan Lorentzin voimalailla:

Toinen tämän suhteen muotoilu on:

MissäMinäon nykyinen jaLlangan tai johtavan reitin pituus kentällä.

Magneettisen voiman ja sähköisen voiman monien samankaltaisuuksien lisäksi on myös joitain selkeitä eroja. Huomaa, että magneettinen voima ei vaikuta kiinteään varaukseen (jos v = 0, sitten F = 0) tai kentän suunnan suuntaisesti liikkuvaan varaukseen (mikä johtaa 0-ristituloon), ja itse asiassa magneettisen voiman vaikutusaste vaihtelee nopeuden ja nopeuden välisen kulman mukaan. ala.

James Clerk Maxwell johti joukon neljästä yhtälöstä, jotka tiivistävät matemaattisesti sähkön ja magnetismin välisen suhteen. Nämä yhtälöt ovat seuraavat:

Kaikki edellä käsitellyt ilmiöt voidaan kuvata näillä neljällä yhtälöllä. Mutta vielä mielenkiintoisempaa on, että niiden johtamisen jälkeen löydettiin ratkaisu näihin yhtälöihin, joka ei vaikuttanut olevan johdonmukainen aiemmin tunnetun kanssa. Tämä ratkaisu kuvasi itsestään etenevää sähkömagneettista aaltoa. Mutta kun tämän aallon nopeus saatiin, sen päätettiin olevan:

Tämä on valon nopeus!

Mikä on tämän merkitys? No, käy ilmi, että valo, ilmiö, jonka tutkijat olivat tutkineet ominaisuuksia jo jonkin aikaa, oli itse asiassa sähkömagneettinen ilmiö. Siksi näette tänään kutsutaanelektromagneettinen säteily​.

•••Pixabay