磁石と電気の3つの類似点は何ですか？

電気力と磁力は、自然界に見られる2つの力です。 一見異なるように見えるかもしれませんが、どちらも荷電粒子に関連する場に由来します。 2つの力には3つの主な類似点があり、これらの現象がどのように発生するかについてさらに学ぶ必要があります。

電荷には正（+）と負（-）の種類があります。 基本的な正電荷キャリアは陽子であり、負電荷キャリアは電子です。 どちらも大きさe = 1.602×10の電荷を持っています^-19 クーロン。

反対者は引き付け、反発するのが好きです。 互いに近くに配置された2つの正電荷は撃退、またはそれらを引き離す力を体験してください。 同じことが2つの負電荷にも当てはまります。 ただし、正と負の電荷は引き付けるお互い。

正電荷と負電荷の間の引力は、ほとんどのアイテムを電気的に中性にする傾向があるものです。 宇宙には負の電荷と同じ数の正の電荷があり、引力と反発力がそのように作用するため、電荷は中和する、または互いにキャンセルします。

同様に、磁石には北極と南極があります。 2つの磁北極は2つの磁南極と同様に互いに反発しますが、北極と南極は互いに引き付け合います。

あなたがよく知っていると思われる別の現象である重力は、このようなものではないことに注意してください。 重力は2つの質量間の引力です。 質量の「タイプ」は1つだけです。 電気や磁気のようにポジティブなものとネガティブなものはありません。 そして、この1つのタイプの質量は常に魅力的であり、反発的ではありません。

磁石と電荷には明確な違いがありますが、磁石は常に双極子として表示されます。 つまり、特定の磁石には常にN極とS極があります。 2つの極を分離することはできません。

電気双極子は、正と負の電荷を少し離して配置することによっても作成できますが、これらの電荷を再び分離することはいつでも可能です。 北極と南極の棒磁石を想像して、それを半分に切って 北と南を分離する代わりに、結果は2つの小さな磁石になり、両方とも独自の北と南を持ちます ポール。

電気と磁気を他の力と比較すると、いくつかの明確な違いがあります。 宇宙の4つの基本的な力は、強い力、電磁力、弱い力、重力です。 （電気力と磁力は同じ一言で表されていることに注意してください。これについては後で詳しく説明します。）

強い力（原子の内部で核子をまとめる力）の大きさを1とすると、電気と磁気の相対的な大きさは1/137になります。 ベータ崩壊の原因となる弱い力の相対的な大きさは10です。^-6、および重力の相対的な大きさは6×10です。^-39.

あなたはその権利を読んだ。 タイプミスではありませんでした。 重力は他のすべてに比べて非常に弱々しいです。 これは直感に反するように思えるかもしれません。結局のところ、重力は惑星を動かし続け、足を地面に置いたままにする力です。 しかし、磁石でクリップを拾ったり、静電気でティッシュを拾ったりするとどうなるか考えてみてください。

1つの小さな磁石または静電気を帯びたアイテムを引き上げる力は、ペーパークリップまたはティッシュを引っ張る地球全体の重力を打ち消すことができます。 重力は、それがそうであるからではなく、地球全体の重力を持っているために、はるかに強力であると考えています。 常に私たちに作用しますが、それらのバイナリの性質のために、電荷と磁石はしばしばそれらが 中和された。

もっとよく見て、電気と磁気を実際に比較すると、基本的なレベルでは、それらは同じ現象の2つの側面であることがわかります。電磁気. この現象を完全に説明する前に、関連する概念をより深く理解しましょう。

フィールドとは何ですか？ なじみのあることを考えると役立つ場合があります。 電気や磁気のように、重力も場を作り出す力です。 地球の周りの宇宙の領域を想像してみてください。

空間内の任意の質量は、その質量の大きさと地球からの距離に依存する力を感じます。 ですから、地球の周りの空間にはフィールドつまり、空間内の各ポイントに割り当てられた値で、対応する力がどれだけ大きく、どの方向にあるかを示します。 重力場の大きさは距離r質量からMたとえば、次の式で与えられます。

どこGは万有引力定数6.67408×10です^-11 m³/(kgs²). 任意のポイントでこのフィールドに関連付けられている方向は、地球の中心を指す単位ベクトルになります。

電界も同じように機能します。 電界の大きさ距離rポイントチャージからq次の式で与えられます。

どこkはクーロン定数8.99×10です。⁹ Nm²/ C². 任意の時点でのこのフィールドの方向は、電荷に向かっていますqもしq負であり、電荷から離れているqもしqポジティブです。

これらのフィールドは逆二乗の法則に従うため、2倍離れると、フィールドの強度は4分の1になります。 いくつかの点電荷によって生成された電界、または電荷の連続分布を見つけるには、単純に重ね合わせを見つけるか、分布の積分を実行します。

磁石は常に双極子として来るので、磁場は少しトリッキーです。 磁場の大きさはしばしば文字で表されますB、およびその正確な式は状況によって異なります。

電気と磁気の関係は、それぞれが最初に発見されてから数世紀後まで、科学者には明らかではありませんでした。 2つの現象間の相互作用を調査するいくつかの重要な実験は、最終的に私たちが今日持っている理解につながりました。

1800年代初頭、科学者たちは、電流を運ぶワイヤーの近くに保持すると、磁気コンパスの針がたわむ可能性があることを最初に発見しました。 電流が流れるワイヤーが磁場を生成することがわかります。 この磁場は距離r電流を運ぶ無限に長いワイヤーから私次の式で与えられます。

どこμ​₀ は真空透磁率4ですπ​ × 10^-7 該当なし². このフィールドの方向は、右手の法則–右手の親指を電流の方向に向けると、指が磁場の方向を示す円でワイヤーを包み込みます。

この発見は電磁石の作成につながりました。 電流が流れるワイヤーを取り、それをコイルに巻き付けることを想像してみてください。 結果として生じる磁場の方向は、棒磁石の双極子磁場のようになります！

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棒磁石の磁性は、それを構成する原子の電子の動きによって生成されます。 各原子の移動電荷は小さな磁場を生成します。 ほとんどの材料では、これらの磁場はあらゆる方向に向けられているため、正味の磁性はほとんどありません。 しかし、鉄などの特定の材料では、材料の組成により、これらのフィールドがすべて整列することができます。

ですから、磁気は本当に電気の現れです！

磁気は電気から生じるだけでなく、電気は磁気から生成される可能性があることがわかりました。 この発見はマイケルファラデーによって行われました。 電気と磁気が関連していることが発見された直後、ファラデーはコイルの中心を通過する磁場を変化させることにより、ワイヤーのコイルに電流を生成する方法を発見しました。

​ファラデーの法則コイルに誘導された電流は、それを引き起こした変化に対抗する方向に流れると述べています。 これが意味するのは、誘導電流が、それを引き起こした変化する磁場に対抗する磁場を生成する方向に流れるということです。 本質的に、誘導電流は単にフィールドの変化を打ち消そうとしているだけです。

したがって、外部磁場がコイルを指していて、大きさが増加すると、電流は これに対抗するために、ループの外側を指す磁場を生成するような方向に流れます 変化する。 外部磁場がコイルを指し、大きさが減少すると、電流が流れます 変化に対抗するためにコイルを指す磁場を生成するような方向に。

ファラデーの発見は、今日の発電機の背後にある技術につながりました。 電気を発生させるためには、ワイヤーのコイルを通過する磁場を変化させる方法が必要です。 この変化を起こすために、強い磁場の存在下でワイヤーコイルを回すことを想像することができます。 これは多くの場合、風や流れる水によってタービンが動かされるなどの機械的手段によって行われます。

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磁力と電気力の類似点はたくさんあります。 両方の力は電荷に作用し、同じ現象に起源があります。 上記のように、両方の力は同等の強さを持っています。

充電中の電気力qフィールドによるEによって与えられます：

充電時の磁力q速度で動くvフィールドによるBローレンツ力の法則によって与えられます：

この関係の別の定式化は次のとおりです。

どこ私現在であり、Lフィールド内のワイヤまたは導電パスの長さ。

磁力と電気力の間の多くの類似点に加えて、いくつかの明確な違いもあります。 磁力は静止電荷（v = 0の場合、F = 0）または磁場の方向に平行に移動する電荷に影響を与えないことに注意してください。 （これは0の外積になります）、そして実際、磁力が作用する程度は速度と フィールド。

ジェームズクラークマクスウェルは、電気と磁気の関係を数学的に要約した4つの方程式のセットを導き出しました。 これらの方程式は次のとおりです。

前述のすべての現象は、これらの4つの方程式で説明できます。 しかし、さらに興味深いのは、それらの導出後に、以前に知られているものと一致していないように見えるこれらの方程式の解が見つかったことです。 このソリューションは、自己伝播電磁波について説明しました。 しかし、この波の速度が導き出されたとき、それは次のように決定されました：

これが光速です！

これの意味は何ですか？ さて、科学者がかなり長い間その特性を探求してきた現象である光は、実際には電磁気現象であったことがわかりました。 これが、今日あなたがそれが電磁放射​.

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