Električne i magnetske sile dvije su sile koje se nalaze u prirodi. Iako se na prvi pogled mogu činiti drugačijima, oboje potječu iz polja povezanih s nabijenim česticama. Dvije sile imaju tri glavne sličnosti i trebali biste naučiti više o tome kako nastaju ti fenomeni.
1 - Dolaze u dvije suprotne sorte
Naknade dolaze u pozitivnim (+) i negativnim (-) sortama. Temeljni nositelj pozitivnog naboja je proton, a negativni naboj je elektron. Obje imaju naboj veličine e = 1.602 × 10-19 Kuloni.
Suprotnosti privlače, a lajkovi odbijaju; dva pozitivna naboja smještena blizu jedan drugogotjerati, ili iskusite silu koja ih odvaja. Isto vrijedi i za dva negativna naboja. Pozitivan i negativan naboj, međutim, hoćeprivućijedno drugo.
Privlačnost između pozitivnih i negativnih naboja je ono što većinu predmeta čini električki neutralnima. Budući da postoji isti broj pozitivnih kao negativnih naboja u svemiru, a privlačne i odbojne sile djeluju onako kako djeluju, naboji imaju tendenciju daneutraliziratiili se međusobno poništavaju.
Magneti, slično tome, imaju sjeverni i južni pol. Dva magnetska sjeverna pola međusobno će se odbijati kao i dva magnetska južna pola, ali sjeverni i južni pol međusobno će se privlačiti.
Imajte na umu da još jedan fenomen koji vam je vjerojatno poznat, gravitacija, nije takav. Gravitacija je privlačna sila između dvije mase. Postoji samo jedna "vrsta" mase. Ne dolazi u pozitivnim i negativnim sortama poput električne energije i magnetizma. A ova jedna vrsta mase uvijek je atraktivna i nije odbojna.
Izrazita je razlika između magneta i naboja, međutim, u tome što se magneti uvijek pojavljuju kao dipol. Odnosno, svaki dati magnet uvijek će imati sjeverni i južni pol. Dva pola se ne mogu razdvojiti.
Električni dipol može se stvoriti i postavljanjem pozitivnog i negativnog naboja na malo udaljenosti, ali uvijek je moguće te naboje ponovno razdvojiti. Ako zamišljate šipkasti magnet sa sjevernim i južnim polovima i trebali ste ga pokušati presjeći na pola da biste napravili odvojite sjever i jug, umjesto toga rezultat bi bila dva manja magneta, oba s vlastitim sjeverom i jugom motke.
2 - Njihova relativna snaga u odnosu na druge snage
Usporedimo li elektricitet i magnetizam s drugim silama, uočimo neke izrazite razlike. Četiri temeljne sile svemira su jake, elektromagnetske, slabe i gravitacijske sile. (Imajte na umu da su električne i magnetske sile opisane istom riječju - o tome malo više.)
Ako uzmemo u obzir da jaka sila - sila koja drži nukleone zajedno u atomu - ima veličinu 1, tada električna energija i magnetizam imaju relativnu veličinu 1/137. Slaba sila - koja je odgovorna za beta raspad - ima relativnu veličinu 10-6, a gravitacijska sila ima relativnu veličinu 6 × 10-39.
Dobro ste pročitali. Nije to bila tiskarska greška. Gravitacijska sila izuzetno je slaba u usporedbi sa svime ostalim. To bi se moglo činiti kontintuitivnim - napokon, gravitacija je sila koja održava planete u pokretu i drži nam noge na zemlji! Ali razmislite što se događa kada spajalicu spajate magnetom ili maramicom sa statičkim elektricitetom.
Sila koja povlači jedan mali magnet ili statički nabijeni predmet može se suprotstaviti gravitacijskoj sili cijele Zemlje koja vuče spajalicu ili tkivo! O gravitaciji mislimo da je toliko moćnija ne zato što jest, već zato što imamo gravitacijsku silu cijele kugle djelujući na nas cijelo vrijeme dok se, zbog svoje binarne prirode, naboji i magneti često raspoređuju tako da jesu neutralizirano.
3 - Električnost i magnetizam dvije su strane istog fenomena
Ako pažljivije pogledamo i stvarno usporedimo elektricitet i magnetizam, vidimo da su to na temeljnoj razini dva aspekta istog fenomena tzv.elektromagnetizam. Prije nego što u potpunosti opišemo ovaj fenomen, omogućimo dublje razumijevanje pojmova.
Električna i magnetska polja
Što je polje? Ponekad je korisno razmisliti o nečemu što se čini poznatijim. Gravitacija, poput elektriciteta i magnetizma, također je sila koja stvara polje. Zamislite područje svemira oko Zemlje.
Svaka zadana masa u svemiru osjetit će silu koja ovisi o veličini njegove mase i udaljenosti od Zemlje. Dakle, zamišljamo da prostor oko Zemlje sadrži apolje, odnosno vrijednost dodijeljena svakoj točki u prostoru koja daje određenu naznaku koliko bi odgovarajuća sila bila relativno velika i u kojem smjeru. Veličina gravitacijskog polja na daljinurod maseM, na primjer, daje se formulom:
E = {GM \ iznad {1pt} r ^ 2}
GdjeGje univerzalna gravitacijska konstanta 6.67408 × 10-11 m3/(kgs2). Smjer povezan s ovim poljem u bilo kojoj točki bio bi jedinični vektor usmjeren prema središtu Zemlje.
Električna polja djeluju na isti način. Veličina električnog polja na daljinurod točkovnog nabojaqdaje se formulom:
E = {kq \ iznad {1pt} r ^ 2}
Gdjekje Coulomova konstanta 8,99 × 109 Nm2/ C2. Smjer ovog polja u bilo kojoj točki usmjeren je prema nabojuqakoqje negativan i udaljen od nabojaqakoqje pozitivan.
Imajte na umu da se ta polja pokoravaju zakonu obrnutog kvadrata, pa ako se udvostručite dvostruko dalje, polje postaje za četvrtinu jače. Da bismo pronašli električno polje generirano od nekoliko točkastih naboja ili kontinuiranu raspodjelu naboja, jednostavno bismo pronašli superpoziciju ili izvršili integraciju raspodjele.
Magnetska polja su malo složenija jer magneti uvijek dolaze kao dipoli. Veličina magnetskog polja često je predstavljena slovomB, a točna formula za to ovisi o situaciji.
Pa kamo magnetizamStvarnoDoći od?
Odnos između električne energije i magnetizma znanstvenicima je bio očit tek nekoliko stoljeća nakon početnih otkrića svakog od njih. Neki ključni eksperimenti koji istražuju interakciju između dva fenomena na kraju su doveli do razumijevanja koje imamo danas.
Strujne žice za nošenje stvaraju magnetsko polje
Ranih 1800-ih znanstvenici su prvi put otkrili da se igla magnetskog kompasa može skrenuti kad se drži blizu žice koja nosi struju. Ispada da žica koja nosi struju stvara magnetsko polje. Ovo magnetsko polje je udaljenostrod beskrajno duge žice koja nosi strujuJadaje se formulom:
B = {\ mu_0 I \ iznad {1pt} 2 \ pi r}
Gdjeμ0 je propusnost vakuuma 4π × 10-7 N / A2. Smjer ovog polja dan je znakompravilo desne ruke- usmjerite palac desne ruke u smjeru struje, a zatim prste omotajte oko žice u krug koji označava smjer magnetskog polja.
Ovo je otkriće dovelo do stvaranja elektromagneta. Zamislite da uzmete strujnu žicu i omotate je u zavojnicu. Smjer rezultirajućeg magnetskog polja izgledat će poput dipolnog polja šipkastog magneta!
•••pixabay
Ali što je sa šipkastim magnetima? Odakle dolazi njihov magnetizam?
Magnetizam u šipkastom magnetu nastaje kretanjem elektrona u atomima koji ga čine. Pokretni naboj u svakom atomu stvara malo magnetsko polje. U većini materijala ta su polja orijentirana na svaki način, što rezultira značajnim mrežnim magnetizmom. Ali u određenim materijalima, poput željeza, sastav materijala omogućuje da se sva polja poravnaju.
Dakle, magnetizam je doista manifestacija elektriciteta!
Ali pričekajte, ima još!
Ispostavilo se da magnetizam ne proizlazi samo iz električne energije, već se električna energija može generirati iz magnetizma. Ovo je otkriće napravio Michael Faraday. Ubrzo nakon otkrića da su električna energija i magnetizam povezani, Faraday je pronašao način generiranja struje u zavojnici žice mijenjajući magnetsko polje koje prolazi kroz središte zavojnice.
Faradayev zakonnavodi da će struja inducirana u zavojnici teći u smjeru koji se protivi promjeni koja ju je uzrokovala. Pod tim se podrazumijeva da će inducirana struja teći u smjeru koji stvara magnetsko polje koje se suprotstavlja promjenjivom magnetskom polju koje ga je uzrokovalo. U osnovi, inducirana struja jednostavno pokušava suzbiti bilo kakve promjene polja.
Dakle, ako je vanjsko magnetsko polje usmjereno u zavojnicu, a zatim se poveća, magnetska struja hoće protok u takvom smjeru da stvori magnetsko polje koje pokazuje iz petlje kako bi se tome suprotstavilo promijeniti. Ako je vanjsko magnetsko polje usmjereno u zavojnicu i smanji veličinu, tada će struja teći u takvom smjeru stvoriti magnetsko polje koje također pokazuje u zavojnicu kako bi se suprotstavilo promjeni.
Faradayevo otkriće dovelo je do tehnologije koja stoji iza današnjih generatora električne energije. Da bi se proizvela električna energija, mora postojati način za promjenu magnetskog polja koje prolazi kroz zavojnicu žice. Možete zamisliti okretanje žičane zavojnice u prisutnosti jakog magnetskog polja kako biste donijeli tu promjenu. To se često radi mehaničkim sredstvima, poput turbine koju pokreće vjetar ili tekuća voda.
•••pixabay
Sličnosti između magnetske i električne sile
Mnogo je sličnosti između magnetske i električne sile. Obje sile djeluju na optužbe i vode svoje podrijetlo iz istog fenomena. Obje sile imaju usporedivu snagu, kao što je gore opisano.
Električna sila na nabojqzbog poljaEdaje:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Magnetska sila na nabojuqkrećući se brzinomvzbog poljaBdaje Lorentzov zakon o sili:
vec {F} = q \ vec {v} \ puta \ vec {B}
Druga formulacija ovog odnosa je:
vec {F} = \ vec {I} L \ puta \ vec {B}
GdjeJaje struja iLduljina žice ili vodljive staze u polju.
Pored mnogih sličnosti između magnetske i električne sile, postoje i neke izrazite razlike. Imajte na umu da magnetska sila neće utjecati na stacionarni naboj (ako je v = 0, tada F = 0) ili naboj koji se kreće paralelno sa smjerom polja (što rezultira presjekom 0), a zapravo stupanj djelovanja magnetske sile varira ovisno o kutu između brzine i polje.
Povezanost električne energije i magnetizma
James Clerk Maxwell izveo je skup od četiri jednadžbe koje matematički sažimaju odnos između elektriciteta i magnetizma. Te su jednadžbe sljedeće:
\ trouglasti \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ trouglasti \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ trouglasti \ puta \ vec {E} = - \ dfrac {\ djelomično \ vec {B}} {\ djelomično t} \\ \ tekst {} \\ \ trokut \ puta \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ djelomično \ vec {E}} {\ djelomično t}
Sve prethodno spomenute pojave mogu se opisati pomoću ove četiri jednadžbe. Ali još je zanimljivije to što je nakon njihovog izvođenja pronađeno rješenje za ove jednadžbe koje se nije činilo u skladu s onim što je ranije bilo poznato. Ovo rješenje opisuje samopropagirajući elektromagnetski val. Ali kada je izvedena brzina ovog vala, utvrđeno je da je:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299.792.485 m / s
Ovo je brzina svjetlosti!
Koji je značaj ovoga? Pa, ispada da je svjetlost, fenomen koji su znanstvenici istraživali svojstva već neko vrijeme, zapravo elektromagnetski fenomen. Zbog toga ga danas nazivateelektromagnetska radijacija.
•••pixabay