Quali sono 3 somiglianze tra magneti ed elettricità?

Le forze elettriche e magnetiche sono due forze presenti in natura. Sebbene a prima vista possano sembrare diversi, entrambi provengono da campi associati a particelle cariche. Le due forze hanno tre principali somiglianze e dovresti imparare di più su come sorgono questi fenomeni.

Le cariche sono di tipo positivo (+) e negativo (-). Il portatore di carica positivo fondamentale è il protone e il portatore di carica negativa è l'elettrone. Entrambi hanno una carica di magnitudo e = 1.602 × 10^-19 Coulomb.

Gli opposti si attraggono e i gusti si respingono; due cariche positive poste l'una vicino all'altrarespingereo sperimentano una forza che li allontana. Lo stesso vale per due cariche negative. Tuttavia, una carica positiva e una negativa lo farannoattirarel'un l'altro.

L'attrazione tra cariche positive e negative è ciò che tende a rendere la maggior parte degli oggetti elettricamente neutri. Poiché nell'universo c'è lo stesso numero di cariche positive che negative e le forze attrattive e repulsive agiscono in questo modo, le cariche tendono a

I magneti, allo stesso modo, hanno i poli nord e sud. Due poli nord magnetici si respingono così come due poli sud magnetici, ma un polo nord e un polo sud si attraggono.

Nota che un altro fenomeno con cui probabilmente hai familiarità, la gravità, non è così. La gravità è una forza attrattiva tra due masse. Esiste un solo "tipo" di massa. Non è disponibile in varietà positive e negative come l'elettricità e il magnetismo. E questo tipo di massa è sempre attraente e non ripugnante.

C'è una netta differenza tra magneti e cariche, tuttavia, in quanto i magneti appaiono sempre come un dipolo. Cioè, ogni magnete avrà sempre un polo nord e un polo sud. I due poli non possono essere separati.

Un dipolo elettrico può anche essere creato ponendo una carica positiva e negativa a una piccola distanza l'una dall'altra, ma è sempre possibile separare nuovamente queste cariche. Se immagini un magnete a barra con i suoi poli nord e sud, e dovessi provare a tagliarlo a metà per fare un separare nord e sud, invece il risultato sarebbero due magneti più piccoli, entrambi con il proprio nord e sud poli.

Se confrontiamo l'elettricità e il magnetismo con altre forze, vediamo alcune differenze distinte. Le quattro forze fondamentali dell'universo sono le forze forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale. (Nota che le forze elettriche e magnetiche sono descritte dalla stessa singola parola - più su questo tra un po'.)

Se consideriamo la forza forte - la forza che tiene insieme i nucleoni all'interno di un atomo - avere una grandezza di 1, allora l'elettricità e il magnetismo hanno una grandezza relativa di 1/137. La forza debole, responsabile del decadimento beta, ha una grandezza relativa di 10^-6, e la forza gravitazionale ha una grandezza relativa di 6 × 10^-39.

Hai letto bene. Non era un errore di battitura. La forza gravitazionale è estremamente debole rispetto a tutto il resto. Questo potrebbe sembrare controintuitivo: dopotutto, la gravità è la forza che mantiene i pianeti in movimento e tiene i piedi per terra! Ma considera cosa succede quando prendi una graffetta con un magnete o un fazzoletto con l'elettricità statica.

La forza che tira su un piccolo magnete o un oggetto caricato staticamente può contrastare la forza gravitazionale dell'intera Terra che tira la graffetta o il fazzoletto! Pensiamo che la gravità sia molto più potente non perché lo sia, ma perché abbiamo la forza gravitazionale di un intero globo agiscono su di noi in ogni momento mentre, per la loro natura binaria, cariche e magneti spesso si dispongono in modo che siano neutralizzato.

Se osserviamo più da vicino e confrontiamo realmente elettricità e magnetismo, vediamo che a livello fondamentale sono due aspetti dello stesso fenomeno chiamatoelettromagnetismo. Prima di descrivere completamente questo fenomeno, cerchiamo di ottenere una comprensione più profonda dei concetti coinvolti.

Che cos'è un campo? A volte è utile pensare a qualcosa che sembra più familiare. La gravità, come l'elettricità e il magnetismo, è anche una forza che crea un campo. Immagina la regione dello spazio intorno alla Terra.

Ogni data massa nello spazio sentirà una forza che dipende dalla grandezza della sua massa e dalla sua distanza dalla Terra. Quindi immaginiamo che lo spazio intorno alla Terra contenga acampo, cioè un valore assegnato a ciascun punto nello spazio che fornisce un'indicazione di quanto relativamente grande, e in quale direzione, sarebbe una forza corrispondente. La grandezza del campo gravitazionale a distanzardalla massaM, ad esempio, è dato dalla formula:

DoveGè la costante gravitazionale universale 6.67408 × 10^-11 m³/(kgs²). La direzione associata a questo campo in un dato punto sarebbe un vettore unitario che punta verso il centro della Terra.

I campi elettrici funzionano allo stesso modo. La grandezza del campo elettrico a distanzardal punto addebitoqè dato dalla formula:

DoveKè la costante di Coulomb 8,99 × 10⁹ Nm²/C². La direzione di questo campo in un dato punto è verso la caricaqSeqè negativo e lontano dalla caricaqSeqè positivo.

Nota che questi campi obbediscono a una legge del quadrato inverso, quindi se ti muovi due volte più lontano, il campo diventa un quarto più forte. Per trovare il campo elettrico generato da più cariche puntiformi, o una distribuzione continua di carica, dovremmo semplicemente trovare la sovrapposizione o eseguire un'integrazione della distribuzione.

I campi magnetici sono un po' più complicati perché i magneti si presentano sempre come dipoli. Una grandezza del campo magnetico è spesso rappresentata dalla letteraB, e la formula esatta dipende dalla situazione.

La relazione tra elettricità e magnetismo non era evidente agli scienziati fino a diversi secoli dopo le scoperte iniziali di ciascuno. Alcuni esperimenti chiave che esplorano l'interazione tra i due fenomeni alla fine hanno portato alla comprensione che abbiamo oggi.

All'inizio del 1800 gli scienziati scoprirono per la prima volta che l'ago di una bussola magnetica poteva essere deviato se tenuto vicino a un filo percorso da corrente. Si scopre che un filo percorso da corrente crea un campo magnetico. Questo campo magnetico a distanzarda un filo infinitamente lungo percorso da correnteioè dato dalla formula:

Doveμ​₀ è la permeabilità al vuoto 4π​ × 10^-7 N / A². La direzione di questo campo è data daregola della mano destra– puntare il pollice della mano destra nella direzione della corrente, quindi le dita avvolgono il filo in un cerchio che indica la direzione del campo magnetico.

Questa scoperta ha portato alla creazione di elettromagneti. Immagina di prendere un filo percorso da corrente e avvolgerlo in una bobina. La direzione del campo magnetico risultante assomiglierà al campo dipolare di un magnete a barra!

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Il magnetismo in un magnete a barra è generato dal movimento degli elettroni negli atomi che lo compongono. La carica in movimento in ogni atomo crea un piccolo campo magnetico. Nella maggior parte dei materiali, questi campi sono orientati in ogni modo, non risultando in alcun magnetismo netto significativo. Ma in alcuni materiali, come il ferro, la composizione del materiale consente a questi campi di allinearsi tutti.

Quindi il magnetismo è davvero una manifestazione dell'elettricità!

Si scopre che non solo il magnetismo deriva dall'elettricità, ma l'elettricità può essere generata dal magnetismo. Questa scoperta è stata fatta da Michael Faraday. Poco dopo la scoperta che l'elettricità e il magnetismo erano correlati, Faraday trovò un modo per generare corrente in una bobina di filo variando il campo magnetico che passava attraverso il centro della bobina.

​Legge di Faradayafferma che la corrente indotta in una bobina fluirà in una direzione che si oppone al cambiamento che l'ha provocata. Ciò che si intende con questo è che la corrente indotta fluirà in una direzione che genera un campo magnetico che si oppone al campo magnetico variabile che l'ha causato. In sostanza, la corrente indotta sta semplicemente cercando di contrastare eventuali cambiamenti di campo.

Quindi, se il campo magnetico esterno punta nella bobina e poi aumenta di magnitudine, la corrente sarà flusso in una direzione tale da creare un campo magnetico che punta fuori dal circuito per contrastare questo modificare. Se il campo magnetico esterno punta nella bobina e diminuisce di grandezza, allora la corrente scorrerà in una direzione tale da creare un campo magnetico che punti anche nella bobina per contrastare il cambiamento.

La scoperta di Faraday ha portato alla tecnologia alla base dei generatori di corrente di oggi. Per generare elettricità, deve esserci un modo per variare il campo magnetico che passa attraverso una bobina di filo. Puoi immaginare di girare una bobina di filo in presenza di un forte campo magnetico per attuare questo cambiamento. Questo viene spesso fatto con mezzi meccanici, come una turbina mossa dal vento o dall'acqua che scorre.

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Le somiglianze tra forza magnetica e forza elettrica sono molte. Entrambe le forze agiscono su cariche e hanno la loro origine nello stesso fenomeno. Entrambe le forze hanno forze comparabili, come descritto sopra.

Forza elettrica in caricaqa causa del campoEè dato da:

La forza magnetica in caricaqmuoversi con velocitàva causa del campoBè data dalla legge della forza di Lorentz:

Un'altra formulazione di questa relazione è:

Doveioè la corrente ella lunghezza del filo o del percorso conduttivo nel campo.

Oltre alle molte somiglianze tra la forza magnetica e la forza elettrica, ci sono anche alcune differenze distinte. Nota che la forza magnetica non influenzerà una carica stazionaria (se v = 0, quindi F = 0) o una carica che si muove parallelamente alla direzione del campo (che si traduce in un prodotto incrociato 0), e infatti il ​​grado in cui agisce la forza magnetica varia con l'angolo tra la velocità e la campo.

James Clerk Maxwell ha derivato una serie di quattro equazioni che riassumono matematicamente la relazione tra elettricità e magnetismo. Queste equazioni sono le seguenti:

Tutti i fenomeni discussi in precedenza possono essere descritti con queste quattro equazioni. Ma ancora più interessante è che dopo la loro derivazione, è stata trovata una soluzione a queste equazioni che non sembrava coerente con quanto precedentemente noto. Questa soluzione descriveva un'onda elettromagnetica autopropagante. Ma quando è stata derivata la velocità di quest'onda, è stato determinato che fosse:

Questa è la velocità della luce!

Qual è il significato di questo? Bene, si scopre che la luce, un fenomeno di cui gli scienziati stavano esplorando le proprietà da un po' di tempo, era in realtà un fenomeno elettromagnetico. Questo è il motivo per cui oggi lo vedi indicato comeradiazioni elettromagnetiche​.

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