ელექტრო და მაგნიტური ძალები ორი ძალაა, რომლებიც ბუნებაში გვხვდება. მიუხედავად იმისა, რომ ერთი შეხედვით ისინი შეიძლება განსხვავებულად მოგეჩვენოთ, ორივენი წარმოშობილია დამუხტულ ნაწილაკებთან ასოცირებული ველებიდან. ამ ორ ძალას აქვს სამი ძირითადი მსგავსება და თქვენ უნდა გაიგოთ მეტი იმის შესახებ, თუ როგორ წარმოიქმნება ეს მოვლენები.
1 - ისინი ორ საპირისპირო ჯიშში მოდიან
ბრალდება მოდის დადებით (+) და უარყოფით (-) ჯიშებში. ფუნდამენტური დადებითი მუხტის მატარებელია პროტონი და უარყოფითი მუხტის მატარებელი არის ელექტრონი. ორივეს აქვს მუხტი e = 1.602 × 10-19 კულონები.
მოწინააღმდეგეები იზიდავს და მოსწონს მოგერიება; ერთმანეთთან განთავსებული ორი დადებითი მუხტი იქნებამოგერიება, ან განიცდიან ძალას, რომელიც მათ განშორებს. იგივე ითქმის ორ უარყოფით მუხტზე. დადებითი და უარყოფითი მუხტი იქნებამოზიდვაერთმანეთი.
პოზიტიურ და უარყოფით მუხტებს შორის მიზიდულობა არის ის, რაც უმეტეს ნივთებს ელექტრონულად ანეიტრალებს. იმის გამო, რომ სამყაროში იგივე დადებითი და უარყოფითი მუხტია და მიმზიდველი და მოგერიებადი ძალები მოქმედებენ ისე, როგორც მოქმედებენ, მუხტებიგანეიტრალება, ან გააუქმეთ ერთმანეთი.
მაგნიტებს, ჩრდილოეთ და სამხრეთ პოლუსები აქვთ. ორი მაგნიტური ჩრდილოეთის პოლუსი მოგერიდება ერთმანეთთან, ისევე როგორც ორი მაგნიტური სამხრეთ პოლუსი, მაგრამ ჩრდილოეთის და სამხრეთ პოლუსი მიიზიდავს ერთმანეთს.
გაითვალისწინეთ, რომ სხვა ფენომენი, რომელსაც თქვენ ალბათ იცნობთ, სიმძიმე, მსგავსი არ არის. გრავიტაცია მიმზიდველი ძალაა ორ მასას შორის. მასის მხოლოდ ერთი "ტიპი" არსებობს. ეს არ გვხვდება დადებით და უარყოფით ჯიშებში, როგორიცაა ელექტროენერგია და მაგნეტიზმი. და ამ ერთი ტიპის მასა ყოველთვის მიმზიდველია და არა მოგერიება.
მკაფიო განსხვავებაა მაგნიტებსა და მუხტებს შორის, თუმცა იმაში, რომ მაგნიტები ყოველთვის დიპოლად გვევლინება. ანუ, ნებისმიერ მოცემულ მაგნიტს ყოველთვის ექნება ჩრდილოეთისა და სამხრეთის პოლუსი. ორი პოლუსის გამოყოფა შეუძლებელია.
ელექტრული დიპოლის შექმნა ასევე შესაძლებელია დადებითი და უარყოფითი მუხტის განთავსებით, მცირე მანძილზე დაშორებით, მაგრამ ამ მუხტების განცალკევება ყოველთვის შესაძლებელია. თუ თქვენ წარმოიდგენთ ბარის მაგნიტს თავისი ჩრდილოეთ და სამხრეთ პოლუსებით და თქვენ უნდა შეეცადოთ გაჭრათ იგი შუაზე, გამოყოფენ ჩრდილოეთსა და სამხრეთს, ამის ნაცვლად იქნება ორი პატარა მაგნიტი, როგორც საკუთარი ჩრდილოეთით, ისე სამხრეთით ბოძები.
2 - მათი შედარებითი ძალა სხვა ძალებთან შედარებით
თუ ელექტროენერგიას და მაგნეტიზმს შევადარებთ სხვა ძალებს, ვხედავთ გარკვეულ განსხვავებულ განსხვავებებს. სამყაროს ოთხი ფუნდამენტური ძალაა ძლიერი, ელექტრომაგნიტური, სუსტი და გრავიტაციული ძალები. (გაითვალისწინეთ, რომ ელექტრული და მაგნიტური ძალები ერთი და იგივე სიტყვით არის აღწერილი - ამის შესახებ ცოტათი).
თუ გავითვალისწინებთ, რომ ძლიერ ძალას - ძალას, რომელიც ატომის შიგნით იკავებს ნუკლეონებს - აქვს 1 სიდიდე, მაშინ ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს აქვს ფარდობითი სიდიდე 1/137. სუსტი ძალა, რომელიც პასუხისმგებელია ბეტა დაშლაზე - აქვს შედარებით დიდი სიდიდე 10-6, ხოლო გრავიტაციული ძალა აქვს ფარდობითი სიდიდე 6 × 10-39.
სწორად წაიკითხე. ეს არ იყო typo. გრავიტაციული ძალა უკიდურესად მგრძნობიარეა ყველაფერთან შედარებით. ეს შეიძლება საწინააღმდეგო ჩანდეს - ყოველივე ამის შემდეგ, გრავიტაცია არის ის ძალა, რომელიც პლანეტებს მოძრაობაში ატარებს და ფეხებს მიწაზე ადევნებს! მაგრამ გაითვალისწინეთ, რა ხდება მაგნიტის სამაგრის ან სტატიკური ელექტროენერგიის ხელსახოცის აღებისას.
ერთ პატარა მაგნიტს ან სტატიკურად დამუხტულ ნივთს მიზიდულ ძალას შეუძლია დაუპირისპირდეს მთელი დედამიწის გრავიტაციულ ძალას, რომელიც ქაღალდის სამაგრს ან ქსოვილს უბიძგებს! ჩვენ მიგვაჩნია, რომ გრავიტაცია ასე უფრო ძლიერია არა იმიტომ, რომ ეს არის, არამედ იმიტომ, რომ მთელი მსოფლიოს გრავიტაციული ძალა გვაქვს. მოქმედებს ჩვენზე ნებისმიერ დროს, ხოლო მათი ორობითი ხასიათის გამო, მუხტები და მაგნიტები ხშირად აწყობენ თავს ისე, რომ ისინი არიან განეიტრალება.
3 - ელექტროენერგია და მაგნეტიზმი ერთი და იგივე ფენომენის ორი მხარეა
თუ უფრო ყურადღებით დავაკვირდებით და ნამდვილად შევადარებთ ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს, ვხედავთ, რომ ფუნდამენტურ დონეზე ისინი ერთი და იგივე ფენომენის ორი ასპექტია, ე.წ.ელექტრომაგნეტიზმი. სანამ ამ ფენომენს სრულად აღწერს, მოდით, უფრო ღრმად გავიგოთ ჩართული ცნებები.
ელექტრო და მაგნიტური ველები
რა არის დარგი? ზოგჯერ სასარგებლოა იფიქროთ იმაზე, რაც უფრო ნაცნობი ჩანს. გრავიტაცია, ისევე როგორც ელექტროენერგია და მაგნეტიზმი, ასევე არის ძალა, რომელიც ქმნის ველს. წარმოიდგინეთ დედამიწის გარშემო არსებული სივრცის რეგიონი.
სივრცეში მოცემული ნებისმიერი მასა იგრძნობს ძალას, რომელიც დამოკიდებულია მისი მასის სიდიდეზე და დედამიწიდან დაშორებაზე. ჩვენ წარმოვიდგენთ, რომ დედამიწის გარშემო არსებული სივრცე შეიცავს აველი, ანუ სივრცის თითოეულ წერტილს მიენიჭა მნიშვნელობა, რომელიც გარკვეულწილად მიუთითებს იმაზე, თუ რამდენად დიდია და რა მიმართულებით იქნება შესაბამისი ძალა. გრავიტაციული ველის სიდიდე მანძილირმასიდანმმაგალითად, მოცემულია ფორმულით:
E = {GM \ {1pt} r ^ 2} ზემოთ
სადგარის უნივერსალური გრავიტაციული მუდმივა 6.67408 × 10-11 მ3/(kgs2). მოცემულ წერტილში ამ ველთან დაკავშირებული მიმართულება იქნება დედამიწის ცენტრისკენ მიმართული ერთეული ვექტორი.
ელექტრული ველები ისევე მუშაობს. მანძილი ელექტრული ველის სიდიდერწერტილოვანი მუხტიდანqმოცემულია ფორმულით:
E = {kq \ ზემოთ {1pt} r ^ 2}
სადკარის კულონის მუდმივი 8.99 × 109 ნმ2/ გ2. ამ ველის მიმართულება მოცემულ წერტილში მუხტისკენ არის მიმართულიqთუკიqუარყოფითია და მუხტისგან მოშორებითqთუკიqპოზიტიურია
გაითვალისწინეთ, რომ ეს ველები ემორჩილებიან ინვერსიულ კვადრატულ კანონს, ასე რომ, თუ ორჯერ შორს გადაადგილდებით, ველი ერთ მეოთხედზე ძლიერი ხდება. რამდენიმე წერტილოვანი მუხტით გამოწვეული ელექტრული ველის ან მუხტის უწყვეტი განაწილების საპოვნელად, ჩვენ უბრალოდ ვიპოვით სუპერპოზიციას ან შევასრულებთ განაწილების ინტეგრაციას.
მაგნიტური ველები ცოტა უფრო რთულია, რადგან მაგნიტები ყოველთვის დიპოლები არიან. მაგნიტური ველის სიდიდე ხშირად ასოთია წარმოდგენილიბდა ამის ზუსტი ფორმულა დამოკიდებულია სიტუაციაზე.
ასე სად ხდება მაგნეტიზმიმართლაცწამოდი?
ელექტრობასა და მაგნეტიზმს შორის კავშირი აშკარა იყო მეცნიერებისათვის თითოეული მათგანის საწყისი აღმოჩენებიდან რამდენიმე საუკუნის შემდეგ. ზოგიერთმა მნიშვნელოვანმა ექსპერიმენტმა, რომელიც შეისწავლის ორ ფენომენს შორის ურთიერთქმედებას, საბოლოოდ იქამდე მიგვიყვანა, რაც დღეს გვაქვს.
მიმდინარე გამტარ მავთულები ქმნიან მაგნიტურ ველს
1800-იანი წლების დასაწყისში მეცნიერებმა პირველად აღმოაჩინეს, რომ მაგნიტური კომპასის ნემსი შეიძლება გადაიყვანოს, როდესაც იგი მავთულხლართებს ახლოსაა. აღმოჩნდება, რომ მიმდინარე ტარების მავთული ქმნის მაგნიტურ ველს. ეს მაგნიტური ველი მანძილიარუსასრულოდ გრძელი მავთულის გამტარ დენადმემოცემულია ფორმულით:
B = {\ mu_0 I \ ზემოთ {1pt} 2 \ pi r}
სადμ0 არის ვაკუუმის გამტარიანობა 4π × 10-7 N / A2. ამ ველის მიმართულებას იძლევამარჯვენა ხელის წესი- მარჯვენა ხელის ცერის მიმართულება მიმართეთ დენის მიმართულებით, შემდეგ კი თითები გადაიტანეთ მავთულის გარშემო წრიულად, რაც მიუთითებს მაგნიტური ველის მიმართულებაზე.
ამ აღმოჩენამ გამოიწვია ელექტრომაგნიტების შექმნა. წარმოიდგინეთ, რომ აიღეთ მიმდინარე მავთული და გახვევით მას ხვია. შედეგად მიღებული მაგნიტური ველის მიმართულება ჰგავს ბარის მაგნიტის დიპოლურ ველს!
•••pixabay
რაც შეეხება ბარის მაგნიტებს? საიდან მოდის მათი მაგნიტურობა?
მაგნიტიზმი ბარის მაგნიტში წარმოიქმნება მასში შემავალი ატომების ელექტრონების მოძრაობით. თითოეულ ატომში მოძრავი მუხტი ქმნის მცირე მაგნიტურ ველს. უმეტეს მასალებში, ეს ველები მიმართულია ყველგან, რის შედეგადაც არ ხდება მნიშვნელოვანი მაგნიტიზმი. მაგრამ გარკვეულ მასალებში, მაგალითად, რკინაში, მასალის შემადგენლობა საშუალებას იძლევა, რომ ამ ველების ყველა გასწორება მოხდეს.
ასე რომ, მაგნეტიზმი ნამდვილად ელექტროენერგიის მანიფესტაციაა!
მაგრამ მოიცადე, კიდევ უფრო მეტია!
აღმოჩნდება, რომ არა მხოლოდ მაგნეტიზმი მოდის ელექტროენერგიით, არამედ ელექტროენერგია შეიძლება წარმოიქმნას მაგნეტიზმისგან. ეს აღმოჩენა მაიკლ ფარადეიმ გააკეთა. აღმოჩენისთანავე, ელექტროენერგია და მაგნეტიზმი რომ იყო დაკავშირებული, ფარადეიმ იპოვა მავთულის ხვიაში დენის გამომუშავების გზა მაგნიტური ველის შეცვლით, რომელიც გახვეულიყო ცენტრში.
ფარადეის კანონინათქვამია, რომ კოჭაში გამოწვეული მიმდინარეობა მიედინება იმ მიმართულებით, რომელიც ეწინააღმდეგება მას ცვლილებას. რა იგულისხმება ამაში არის ის, რომ გამოწვეული დენი შემოვა მიმართულებით, რომელიც წარმოქმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც ეწინააღმდეგება ცვალებად მაგნიტურ ველს, რამაც გამოიწვია იგი. სინამდვილეში, ინდუცირებული დენი უბრალოდ ცდილობს ველის ნებისმიერ ცვლილებას დაუპირისპირდეს.
ასე რომ, თუ გარე მაგნიტური ველი მიუთითებს კოჭაში და შემდეგ იზრდება სიდიდით, მიმდინარეობა მოხდება მიედინება ისეთი მიმართულებით, რომ შექმნას მაგნიტური ველი, რომელიც მიუთითებს მარყუჟისგან, ამის საწინააღმდეგოდ ცვლილება. თუ გარე მაგნიტური ველი მიუთითებს კოჭაში და მცირდება სიდიდით, მაშინ დინება შემოვა ასეთი მიმართულებით შეიქმნება მაგნიტური ველი, რომელიც ასევე მიუთითებს კოჭაში, ცვლილების საწინააღმდეგოდ.
ფარადეის აღმოჩენამ გამოიწვია დღევანდელი ენერგიის გენერატორების ტექნოლოგია. ელექტროენერგიის წარმოქმნისთვის საჭიროა არსებობდეს მაგნიტური ველის შეცვლის გზა, რომელიც გადის მავთულის ხვიაზე. თქვენ წარმოიდგინეთ, რომ მავთულის ხვია გააქვთ ძლიერი მაგნიტური ველის თანდასწრებით, ამ ცვლილების განხორციელების მიზნით. ეს ხშირად ხდება მექანიკური საშუალებებით, მაგალითად, ტურბინის ქარის ან მიედინება წყლის გადაადგილებით.
•••pixabay
მსგავსება მაგნიტურ და ელექტრულ ძალებს შორის
მსგავსება მაგნიტურ ძალასა და ელექტრულ ძალას შორის ბევრია. ორივე ძალა მოქმედებს ბრალდებით და სათავეს ერთსა და იმავე ფენომენში იღებს. ორივე ძალას აქვს შედარებით ძლიერი, როგორც ზემოთ აღწერილი.
ელექტრული ძალა დამუხტულიqველის გამოემოცემულია:
\ vec {F} = q \ vec {E}
დამუხტული მაგნიტური ძალაqმოძრაობს სიჩქარითვველის გამობმოცემულია ლორენცის ძალის კანონით:
vec {F} = q \ vec {v} \ ჯერ \ vec {B}
ამ ურთიერთობის კიდევ ერთი ფორმულირებაა:
vec {F} = \ vec {I} L \ ჯერ \ vec {B}
სადმეარის მიმდინარე დალმავთულის ან გამტარ ბილიკის სიგრძე სფეროში.
მაგნიტურ ძალასა და ელექტრულ ძალას შორის მრავალი მსგავსების გარდა, არსებობს მკაფიო განსხვავებებიც. გაითვალისწინეთ, რომ მაგნიტური ძალა არ იმოქმედებს სტაციონარულ მუხტზე (თუ v = 0, მაშინ F = 0) ან მუხტზე, რომელიც მოძრაობს პარალელურად ველის მიმართულებით (რაც იწვევს 0 ჯვარედინი პროდუქტს), და სინამდვილეში მაგნიტური ძალის მოქმედების ხარისხი იცვლება სიჩქარესა და ველი
ურთიერთობა ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს შორის
ჯეიმს კლერკ მაქსველმა მიიღო ოთხი განტოლების ნაკრები, რომლებიც აჯამებს მათემატიკურად ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს შორის ურთიერთობას. ეს განტოლებები შემდეგია:
\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ ჯერ \ vec {E} = - \ dfrac {\ ნაწილობრივი \ vec {B}} {\ ნაწილობრივი t} \\ \ ტექსტი {} \\ \ სამკუთხა \ ჯერ \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ ნაწილობრივი \ vec {E}} {\ ნაწილობრივი t}
ადრე განხილული ყველა ფენომენი შეიძლება აღწერილი იყოს ამ ოთხი განტოლებით. მაგრამ კიდევ უფრო საინტერესო ის არის, რომ მათი წარმოების შემდეგ იპოვნეს ამ განტოლებების ამოხსნა, რომელიც არ ჩანდა ადრე ცნობილი. ამ ხსნარში აღწერილია თვითგამრავლებადი ელექტრომაგნიტური ტალღა. მაგრამ როდესაც ამ ტალღის სიჩქარე იქნა მიღებული, დადგინდა, რომ ეს უნდა იყოს:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299,792,485 მ / წმ
ეს არის სინათლის სიჩქარე!
რა მნიშვნელობა აქვს ამას? გამოდის, რომ სინათლე, ფენომენი, რომელსაც მეცნიერები საკმაოდ დიდი ხნის განმავლობაში იკვლევდნენ თავისებურებებზე, სინამდვილეში ეს იყო ელექტრომაგნიტური ფენომენი. ამიტომ დღეს ხედავთ მას მოხსენიებულსელექტრომაგნიტური რადიაცია.
•••pixabay