Az elektromos és a mágneses erő a természetben található két erő. Míg első pillantásra eltérőnek tűnhetnek, mindkettő a töltött részecskékhez tartozó mezőkből származik. A két erőnek három fő hasonlósága van, és többet kellene megtudnia arról, hogy ezek a jelenségek hogyan keletkeznek.
1 - Két ellentétes változatban vannak
A díjak pozitív (+) és negatív (-) fajtákban vannak. Az alapvető pozitív töltéshordozó a proton, a negatív töltéshordozó pedig az elektron. Mindkettőnek e = 1,602 × 10 nagyságú töltése van-19 Coulombs.
Az ellentétek vonzzák és szeretik taszítani; két, egymás közelében elhelyezett pozitív töltés fogtaszítani, vagy tapasztaljon olyan erőt, amely széttolja őket. Ugyanez igaz két negatív töltésre is. A pozitív és a negatív töltés azonban igenvonzegymás.
A pozitív és negatív töltések közötti vonzalom az, ami a legtöbb elemet elektromosan semlegesíti. Mivel az univerzumban ugyanannyi pozitív és negatív töltés van, és a vonzó és taszító erők úgy viselkednek, ahogy teszik, a töltések általábansemlegesíteni, vagy lemondják egymást.
A mágneseknek hasonlóan van északi és déli pólusa. Két mágneses északi pólus taszítja egymást, mint két mágneses déli pólus, de az északi és a déli pólus vonzani fogja egymást.
Vegye figyelembe, hogy egy másik jelenség, amelyet valószínűleg ismer, a gravitáció, nem ilyen. A gravitáció vonzó erő két tömeg között. Csak egy tömegtípus létezik. Nem pozitív és negatív változatban fordul elő, mint az elektromosság és a mágnesesség. És ez az egyfajta tömeg mindig vonzó és nem taszító.
A mágnesek és a töltések között azonban egyértelmű különbség van, mivel a mágnesek mindig dipólusként jelennek meg. Vagyis minden adott mágnesnek mindig lesz északi és déli pólusa. A két pólust nem lehet elválasztani.
Elektromos dipól létrehozható úgy is, hogy pozitív és negatív töltést helyezünk el egymástól kis távolságra, de mindig lehetséges ezeket a töltéseket újra elválasztani. Ha elképzel egy rúdmágnest annak északi és déli pólusával, és megpróbálta kettévágni, hogy a külön északra és délre, ehelyett az eredmény két kisebb mágnes lenne, mindkettő saját észak és dél oszlopok.
2 - Relatív erejük más erőkhöz képest
Ha összehasonlítjuk az elektromosságot és a mágnesességet más erőkkel, akkor látható néhány különbség. A világegyetem négy alapvető ereje az erős, elektromágneses, gyenge és gravitációs erő. (Ne feledje, hogy az elektromos és mágneses erőket ugyanaz a szó írja le - erről bővebben egy kicsit.)
Ha az erős erőnek - az atom belsejében a nukleonokat összetartó erőnek - 1-es nagyságúnak tekintjük, akkor az elektromosság és a mágnesesség relatív nagysága 1/137. A gyenge erő - amely a béta lebomlásáért felelős - relatív nagysága 10-6, és a gravitációs erő relatív nagysága 6 × 10-39.
Ezt jól olvastad. Nem volt elírás. A gravitációs erő minden máshoz képest rendkívül érzéketlen. Ez ellentmondásszerűnek tűnhet - végül is a gravitáció az az erő, amely mozgásban tartja a bolygókat és a földön tartja a lábunkat! De vegye fontolóra, mi történik, ha mágnessel vagy statikus elektromossággal rendelkező papírzsebkendőt vesz fel.
Az egyetlen kis mágnest vagy statikusan feltöltött elemet felhúzó erő ellensúlyozhatja az egész Föld gravitációs erejét, amely a gemkapcsot vagy a szövetet húzza! A gravitációról azt gondoljuk, hogy sokkal erősebb nem azért, mert van, hanem azért, mert egy egész földgömb gravitációs ereje van mindig ránk hat, miközben bináris jellegüknél fogva a töltések és a mágnesek gyakran úgy rendezik magukat, hogy azok semlegesítették.
3 - A villamos energia és a mágnesség ugyanazon jelenség két oldala
Ha jobban megnézzük, és valóban összehasonlítjuk az elektromosságot és a mágnesességet, akkor azt látjuk, hogy alapvető szinten ugyanazon jelenség két aspektusa az ún.elektromágnesesség. Mielőtt teljes körűen leírnánk ezt a jelenséget, megismerhetjük az érintett fogalmakat.
Elektromos és mágneses mezők
Mi az a mező? Néha hasznos elgondolkodni valamin, ami ismertebbnek tűnik. A gravitáció, mint az elektromosság és a mágnesesség, szintén olyan erő, amely teret hoz létre. Képzelje el a Föld körüli tér térségét.
Bármely adott tömeg az űrben olyan erőt fog érezni, amely a tömeg nagyságától és a Földtől való távolságától függ. Tehát azt képzeljük, hogy a Föld körüli tér tartalmaz egyterület, vagyis a tér minden pontjához rendelt érték, amely valamilyen jelzést ad arról, hogy viszonylag nagy és milyen irányban lenne egy megfelelő erő. A gravitációs mező nagysága egy távolságrtömegbőlMpéldául a következő képlet adja meg:
E = {GM \ felett {1pt} r ^ 2}
HolGa 6.67408 × 10 univerzális gravitációs állandó-11 m3/(kgs2). A mezőhöz társított irány egy adott pontban a Föld közepe felé mutató egységvektor lenne.
Az elektromos mezők ugyanúgy működnek. Az elektromos tér nagysága egy távolságrponttöltéstőlqképlet adja meg:
E = {kq \ felett {1pt} r ^ 2}
Holka Coulomb-konstans 8,99 × 109 Nm2/ C2. Ennek a mezőnek az adott pontban az iránya a töltés felé irányulqhaqnegatív, és nincs töltés alattqhaqpozitív.
Ne feledje, hogy ezek a mezők egy inverz négyzet törvénynek felelnek meg, így ha kétszer olyan messzire távolodik el, akkor a mező egynegyede olyan erős lesz. A több pontos töltés által generált elektromos tér vagy a töltés folyamatos eloszlásának megkereséséhez egyszerűen megtaláljuk az eloszlás szuperpozícióját vagy integrációját.
A mágneses mezők kissé bonyolultabbak, mert a mágnesek mindig dipólusként érkeznek. A mágneses mező nagyságát gyakran a betű jelöliB, és ennek pontos képlete a helyzettől függ.
Tehát hol a mágnesességIgazánJönni valahonnan?
Az elektromosság és a mágnesesség kapcsolata a tudósok előtt csak néhány évszázadon keresztül volt látható, miután mindegyikük felfedezte őket. Néhány kulcsfontosságú kísérlet, amely a két jelenség kölcsönhatását vizsgálta, végül a mai megértéshez vezetett.
A jelenlegi hordozóvezetékek mágneses teret hoznak létre
Az 1800-as évek elején a tudósok először felfedezték, hogy egy mágneses iránytű letérhető, ha egy áramot vezető vezeték közelében tartják. Kiderült, hogy egy áramhordó vezeték mágneses teret hoz létre. Ez a mágneses mező egy távolságregy végtelen hosszú vezetéket szállító áraménképlet adja meg:
B = {\ mu_0 I \ felett {1pt} 2 \ pi r}
Holμ0 a vákuumáteresztő képesség 4π × 10-7 N / A2. Ennek a mezőnek az irányát ajobb kéz szabály- mutassa jobb keze hüvelykujját az áram irányába, majd ujjaival körbetekerje a vezetéket a mágneses tér irányát jelző körben.
Ez a felfedezés vezetett elektromágnesek létrehozásához. Képzelje el, hogy vesz egy áramszállító vezetéket, és tekerje be egy tekercsbe. A kapott mágneses tér iránya úgy fog kinézni, mint egy rúdmágnes dipólus mezője!
•••pixabay
De mi a helyzet a rúdmágnesekkel? Honnan származik mágnesességük?
A rúdmágnes mágnesességét az azt alkotó atomokban lévő elektronok mozgása generálja. Az egyes atomok mozgó töltése kis mágneses teret hoz létre. A legtöbb anyagban ezek a mezők minden irányba orientálódnak, ami nem eredményez jelentős nettó mágnesességet. Bizonyos anyagokban, például a vasban azonban az anyagösszetétel lehetővé teszi, hogy ezek a mezők mind igazodjanak.
Tehát a mágnesesség valóban az elektromosság megnyilvánulása!
De várj, még több van!
Kiderült, hogy a mágnesség nemcsak az elektromosságból származik, hanem a mágnesességből is előállítható az áram. Ezt a felfedezést Michael Faraday tette. Röviddel azután, hogy felfedezték, hogy az elektromosság és a mágnesesség összefügg egymással, Faraday megtalálta a módját annak, hogyan lehet áramot előállítani egy huzaltekercsben a tekercs közepén áthaladó mágneses mező változtatásával.
Faraday törvényekijelenti, hogy a tekercsben kiváltott áram olyan irányban fog áramlani, amely ellenzi az azt kiváltó változást. Ez azt jelenti, hogy az indukált áram olyan irányban fog áramlani, amely mágneses teret generál, amely szemben áll az azt okozó változó mágneses térrel. Lényegében az indukált áram egyszerűen megpróbálja ellensúlyozni a terepi változásokat.
Tehát, ha a külső mágneses mező a tekercsbe mutat, majd megnövekszik, akkor az áram meg fog haladni áramoljon olyan irányban, hogy a hurkából kifelé mutató mágneses teret hozzon létre, hogy ezt ellensúlyozza változás. Ha a külső mágneses mező a tekercsbe mutat és nagyságrendileg csökken, akkor az áram folyni fog ilyen irányban mágneses mezőt hoz létre, amely a tekercsbe is mutat, hogy ellensúlyozza a változást.
Faraday felfedezése a mai áramfejlesztők mögött álló technológiához vezetett. A villamos energia előállításához meg kell változtatni a huzaltekercsen áthaladó mágneses teret. Képzelheti el, hogy egy huzaltekercset erős mágneses tér jelenlétében elforgasson ennek a változásnak a megvalósítása érdekében. Ezt gyakran mechanikai eszközökkel hajtják végre, például egy turbinát szél vagy folyó víz mozgat.
•••pixabay
A mágneses erő és az elektromos erő hasonlóságai
A mágneses erő és az elektromos erő sok hasonlóságot mutat. Mindkét erő vádakkal hat, és ugyanazon jelenségből erednek. Mindkét erő összehasonlítható erejű, a fentiek szerint.
Elektromos erő töltveqmező miattEáltal adva:
\ vec {F} = q \ vec {E}
A feltöltött mágneses erőqsebességgel haladvavmező miattBa Lorentz-erő törvény írja elő:
vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}
Ennek a kapcsolatnak egy másik megfogalmazása:
vec {F} = \ vec {I} L \ szor \ vec {B}
Holéna jelenlegi ésLa vezeték vagy a vezető út hossza a terepen.
A mágneses erő és az elektromos erő sok hasonlósága mellett van néhány egyértelmű különbség is. Ne feledje, hogy a mágneses erő nem befolyásolja az álló töltést (ha v = 0, akkor F = 0) vagy a tér irányával párhuzamosan mozgó töltést (ami 0 keresztterméket eredményez), és valójában a mágneses erő hatásának mértéke változik a sebesség és a sebesség terület.
Kapcsolat az áram és a mágnesség között
James Clerk Maxwell négy egyenletből állított össze, amelyek matematikailag összefoglalják az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatát. Ezek az egyenletek a következők:
\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ részleges \ vec {B}} {\ részleges t} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ részleges \ vec {E}} {\ részleges t}
Az összes korábban tárgyalt jelenség leírható ezzel a négy egyenlettel. De még ennél is érdekesebb, hogy levezetésük után találtak megoldást ezekre az egyenletekre, amely nem tűnt összhangban a korábban ismertekkel. Ez a megoldás egy önmagában terjedő elektromágneses hullámot írt le. De amikor levonták ennek a hullámnak a sebességét, megállapították, hogy:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299 792 485 m / s
Ez a fénysebesség!
Mi ennek a jelentősége? Nos, kiderült, hogy a fény, amely jelenség a tudósok már jó ideje kutatták a tulajdonságait, valójában elektromágneses jelenség volt. Ezért látja ma, hogy erre hivatkoznakelektromágneses sugárzás.
•••pixabay