כוחות חשמליים ומגנטיים הם שני כוחות המצויים בטבע. בעוד שבמבט ראשון הם עשויים להיראות שונים, שניהם מקורם בשדות הקשורים לחלקיקים טעונים. לשני הכוחות יש שלושה קווי דמיון עיקריים, וכדאי ללמוד יותר על האופן שבו תופעות אלה מתעוררות.
1 - הם באים בשני זנים מנוגדים
חיובים מגיעים בזנים חיוביים (+) ושליליים (-). נושא המטען החיובי הבסיסי הוא הפרוטון ומוביל המטען השלילי הוא האלקטרון. לשניהם מטען בסדר גודל e = 1.602 × 10-19 קולומבים.
הפכים מושכים, ואוהבים דוחים; שני מטענים חיוביים המונחים זה ליד זהדוחה, או לחוות כוח שמרחיק אותם. הדבר נכון גם לגבי שני מטענים שליליים. מטען חיובי ושלילי, לעומת זאת, יעשה זאתלִמְשׁוֹךאחד את השני.
המשיכה בין מטענים חיוביים לשליליים היא הנוטה להפוך את רוב הפריטים לניטראליים חשמלית. מכיוון שקיים מספר זהה של חיובי כמו מטענים שליליים ביקום, והכוחות האטרקטיביים והדוחים פועלים כפי שהם פועלים, המטענים נוטיםלְנַטְרֵל, או לבטל אחד את השני.
כמו כן, למגנטים מוטות צפון ודרום. שני קטבי צפון מגנטיים ידחו זה את זה כמו שני קטבי דרום מגנטיים, אך הקוטב הצפוני והקוטב הדרומי ימשכו זה את זה.
שימו לב שתופעה אחרת שאתם מכירים ככל הנראה, כוח המשיכה, אינה כזו. כוח המשיכה הוא כוח מושך בין שתי המונים. יש רק "סוג" מסה אחד. זה לא בא בזנים חיוביים ושליליים כמו חשמל ומגנטיות. וסוג מסה אחד זה תמיד מושך ולא דוחה.
קיים הבדל מובהק בין מגנטים לטעינות, אולם בכך שמגנטים מופיעים תמיד כדיפול. כלומר, לכל מגנט נתון תמיד יהיה קוטב צפון ודרומי. לא ניתן להפריד בין שני הקטבים.
דיפול חשמלי יכול להיווצר גם על ידי הצבת מטען חיובי ושלילי במרחק קטן זה מזה, אך תמיד ניתן להפריד בין מטענים אלה שוב. אם אתה מדמיין מגנט בר עם הקטבים הצפוניים והדרומיים שלו, היית מנסה לחתוך אותו לשניים כדי ליצור נפרדים מצפון ודרום, במקום התוצאה תהיה שני מגנטים קטנים יותר, שניהם עם צפון ודרום משלהם מוטות.
2 - כוחם היחסי בהשוואה לכוחות אחרים
אם נשווה חשמל ומגנטיות לכוחות אחרים, אנו רואים כמה הבדלים ברורים. ארבעת כוחות היסוד של היקום הם הכוחות החזקים, האלקטרומגנטיים, החלשים וכוח המשיכה. (שים לב שכוחות חשמליים ומגנטיים מתוארים על ידי אותה מילה אחת - עוד קצת על זה.)
אם אנו רואים בכוח החזק - הכוח המחזיק גרעינים זה מזה בתוך אטום - כגודל 1, אז לחשמל ולמגנטיות יש גודל יחסי של 1/137. הכוח החלש - האחראי על ריקבון בטא - הוא בעוצמה יחסית 10-6, ולכוח הכבידה יש גודל יחסי של 6 × 10-39.
קראת נכון. זה לא היה הקלדה. כוח הכבידה הוא רעוע ביותר בהשוואה לכל השאר. זה אולי נראה לא אינטואיטיבי - אחרי הכל, כוח המשיכה הוא הכוח שמניע את כוכבי הלכת ושומר על הרגליים על הקרקע! אך שקול מה קורה כאשר אתה מרים אטב עם מגנט או טישו עם חשמל סטטי.
הכוח המושך את המגנט הקטן האחד או הפריט הטעון סטטית יכול לנטרל את כוח הכבידה של כדור הארץ כולו המושך על המהדק או הרקמה! אנו חושבים על כוח המשיכה שהוא כל כך הרבה יותר חזק לא בגלל שהוא, אלא בגלל שיש לנו את כוח הכבידה של כדור שלם פועלים עלינו כל העת ואילו, בשל אופיים הבינארי, מטענים ומגנטים לעיתים קרובות מסדרים את עצמם כך שהם יהיו מנוטרל.
3 - חשמל ומגנטיות הם שני צדדים של אותה תופעה
אם נבדוק מקרוב ובאמת משווים בין חשמל ומגנטיות, אנו רואים שברמה היסודית הם שני היבטים של אותה תופעה הנקראיםאלקטרומגנטיות. לפני שנתאר באופן מלא תופעה זו, הבה נבונה יותר של המושגים המעורבים.
שדות חשמליים ומגנטיים
מהו שדה? לפעמים מועיל לחשוב על משהו שנראה מוכר יותר. כוח המשיכה, כמו חשמל ומגנטיות, הוא גם כוח שיוצר שדה. דמיין את אזור החלל סביב כדור הארץ.
כל מסה נתונה בחלל תרגיש כוח שתלוי בגודל המסה שלו ובמרחק שלו מכדור הארץ. אז אנו מדמיינים שהחלל סביב כדור הארץ מכיל אשדהכלומר ערך המוקצה לכל נקודה במרחב שנותן אינדיקציה כלשהי עד כמה גדול יחסית, ובאיזה כיוון, יהיה כוח מקביל. גודל שדה הכבידה למרחקרממסהM, למשל, ניתן על ידי הנוסחה:
E = {GM \ מעל {1pt} r ^ 2}
איפהזהוא קבוע הכבידה האוניברסלי 6.67408 × 10-11 M3/(kgs2). הכיוון המשויך לשדה זה בכל נקודה נתונה יהיה וקטור יחידה המכוון לכיוון מרכז כדור הארץ.
שדות חשמליים עובדים באותה צורה. גודל השדה החשמלי למרחקרמטעינה נקודתיתשניתן על ידי הנוסחה:
E = {kq \ מעל {1pt} r ^ 2}
איפהkהוא קבוע הקולומב 8.99 × 109 Nm2/ ג2. הכיוון של שדה זה בכל נקודה נתונה הוא כלפי המטעןשאםשהוא שלילי, ורחק מטעינהשאםשהוא חיובי.
שימו לב ששדות אלה מצייתים לחוק ריבועי הפוך, כך שאם אתם מתרחקים פי שניים משם, השדה מתחזק לרבע. כדי למצוא את השדה החשמלי שנוצר על ידי כמה מטענים נקודתיים, או חלוקה רציפה של המטען, פשוט היינו מוצאים את הסופרפוזיציה או מבצעים אינטגרציה של ההתפלגות.
שדות מגנטיים הם קצת יותר מסובכים מכיוון שמגנטים מגיעים תמיד כדיפולות. גודל השדה המגנטי מיוצג לעיתים קרובות על ידי האותב, והנוסחה המדויקת לכך תלויה במצב.
אז איפה המגנטיותבֶּאֱמֶתבא מ?
היחסים בין חשמל ומגנטיות לא נראו מדענים עד כמה מאות שנים לאחר הגילוי הראשוני של כל אחד מהם. כמה ניסויים מרכזיים בחקר האינטראקציה בין שתי התופעות הובילו בסופו של דבר להבנה שיש לנו כיום.
חוטי נשיאה נוכחיים יוצרים שדה מגנטי
בתחילת המאה הקודמת גילו מדענים לראשונה כי ניתן להסיט מחט מצפן מגנטית כאשר היא מוחזקת ליד חוט הנושא זרם. מתברר שחוט נושא זרם יוצר שדה מגנטי. שדה מגנטי זה מרחקרמחוט ארוך לאין שיעור הנושא זרםאניניתן על ידי הנוסחה:
B = {\ mu_0 I \ מעל {1pt} 2 \ pi r}
איפהμ0 היא חדירות הוואקום 4π × 10-7 לא2. הכיוון של שדה זה ניתן על ידישלט יד ימין- הפנה את אגודל יד ימין לכיוון הזרם ואז אצבעותיך עוטפות את החוט במעגל המציין את כיוון השדה המגנטי.
גילוי זה הוביל ליצירת אלקטרומגנטים. תאר לעצמך לקחת חוט נושא זרם ולעטוף אותו בסליל. כיוון השדה המגנטי שנוצר ייראה כמו שדה דיפול של מגנט בר!
•••פיקסיליה
אבל מה עם מגנטים לבר? מאיפה המגנטיות שלהם?
מגנטיות במגנט בר נוצרת על ידי תנועת האלקטרונים באטומים המרכיבים אותה. המטען הנע בכל אטום יוצר שדה מגנטי קטן. ברוב החומרים, שדות אלה מכוונים לכל כיוון, וכתוצאה מכך אין מגנטיות נטו משמעותית. אך בחומרים מסוימים, כגון ברזל, הרכב החומרים מאפשר ליישר שדות אלה.
אז מגנטיות היא באמת ביטוי לחשמל!
אבל רגע, יש עוד!
מתברר שלא רק שמגנטיות נובעת מחשמל, אלא שאפשר לייצר חשמל ממגנטיות. גילוי זה נעשה על ידי מייקל פאראדיי. זמן קצר לאחר הגילוי שקשורים בין חשמל ומגנטיות, פאראדיי מצא דרך לייצר זרם בסליל חוט על ידי שינוי השדה המגנטי העובר במרכז הסליל.
החוק של פאראדייקובע כי הזרם המושרה בסליל יזרום לכיוון המתנגד לשינוי שגרם לו. הכוונה בכך היא שהזרם המושרה יזרום לכיוון שיוצר שדה מגנטי המתנגד לשדה המגנטי המשתנה שגרם לו. בעיקרו של דבר, הזרם המושרה פשוט מנסה לנטרל כל שינוי שדה.
אז אם השדה המגנטי החיצוני מכוון אל הסליל ואז גדל בעוצמתו, הזרם יהיה לזרום בכיוון כזה כדי ליצור שדה מגנטי שמצביע אל מחוץ לולאה על מנת לנטרל זאת שינוי. אם השדה המגנטי החיצוני מכוון אל הסליל ויורד בעוצמתו, אז הזרם יזרום בכיוון כזה ליצור שדה מגנטי שמצביע גם לסליל על מנת לנטרל את השינוי.
התגלית של פאראדיי הובילה לטכנולוגיה שעומדת מאחורי מחוללי החשמל של ימינו. על מנת לייצר חשמל, צריכה להיות דרך לשנות את השדה המגנטי העובר דרך סליל חוט. אתה יכול לדמיין לסובב סליל תיל בנוכחות שדה מגנטי חזק על מנת לחוקק שינוי זה. זה נעשה לעתים קרובות באמצעים מכניים, כמו טורבינת המונעת על ידי רוח או מים זורמים.
•••פיקסיליה
קווי דמיון בין כוח מגנטי לכוח חשמלי
הדמיון בין כוח מגנטי לכוח חשמלי הוא רב. שני הכוחות פועלים לפי מטענים ומקורם באותה תופעה. לשני הכוחות יש עוצמות דומות, כמתואר לעיל.
כוח חשמלי בתשלוםשבגלל שדההניתן ע"י:
\ vec {F} = q \ vec {E}
הכוח המגנטי המוטעןשנע במהירותvבגלל שדהבניתן על פי חוק כוח לורנץ:
vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}
ניסוח נוסף של מערכת יחסים זו הוא:
vec {F} = \ vec {I} L \ times \ vec {B}
איפהאניהוא הנוכחי ולאורך החוט או השביל המוליך בשטח.
בנוסף לדמיון הרב בין כוח מגנטי לכוח חשמלי, ישנם גם כמה הבדלים ברורים. שימו לב שהכוח המגנטי לא ישפיע על מטען נייח (אם v = 0, אז F = 0) או על מטען הנע במקביל לכיוון השדה (מה שמביא לתוצר צולב 0), ולמעשה מידת פעולתו של הכוח המגנטי משתנה עם הזווית בין המהירות לבין שדה.
הקשר בין חשמל למגנטיות
ג'יימס פקיד מקסוול הביא מערך של ארבע משוואות המסכמות את הקשר בין חשמל ומגנטיות באופן מתמטי. משוואות אלה הן כדלקמן:
\ משולש \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ partial \ vec {B}} {\ partial t} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ partial \ vec {E}} {\ partial t}
ניתן לתאר את כל התופעות שנדונו בעבר בארבע משוואות אלה. אך מעניין עוד יותר הוא שלאחר גזירתם נמצא פיתרון למשוואות אלה שלא נראה עקבי למה שהיה ידוע קודם. פתרון זה תיאר גל אלקטרומגנטי המתפשט בעצמו. אך כאשר נגזר מהירותו של גל זה, נקבע שהוא:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299,792,485 מ '/ שנייה
זו מהירות האור!
מה המשמעות של זה? ובכן, מתברר שאור, תופעה שמדענים חקרו את המאפיינים של זה די הרבה זמן, היה למעשה תופעה אלקטרומגנטית. זו הסיבה שהיום אתה רואה את זה מכונהקרינה אלקטרומגנטית.
•••פיקסיליה
