자석과 전기의 3 가지 유사점은 무엇입니까?

전기력과 자기력은 자연에서 발견되는 두 가지 힘입니다. 언뜻보기에는 다르게 보일 수 있지만 둘 다 하전 입자와 관련된 장에서 비롯됩니다. 두 세력에는 세 가지 주요 유사점이 있으며 이러한 현상이 어떻게 발생하는지에 대해 자세히 알아야합니다.

전하는 양수 (+)와 음수 (-) 종류가 있습니다. 기본적인 양전하 캐리어는 양성자이고 음전하 캐리어는 전자입니다. 둘 다 크기 e = 1.602 × 10^-19 쿨롱.

반대편은 끌리고 격퇴하는 것을 좋아합니다. 서로 가까이 배치 된 두 개의 양전하가격퇴하다또는 그들을 밀어내는 힘을 경험하십시오. 두 개의 음전하에 대해서도 마찬가지입니다. 그러나 양전하와 음전하는끌다서로.

양전하와 음전하 사이의 매력은 대부분의 항목을 전기적으로 중립적으로 만드는 경향이 있습니다. 우주에는 음전하와 동일한 수의 양전하가 있고 인력과 반발력이 그처럼 작용하기 때문에 전하는중화하다, 또는 서로를 취소하십시오.

마찬가지로 자석에는 북극과 남극이 있습니다. 두 개의 자북극은 두 개의 남극처럼 서로를 밀어 내지 만, 북극과 남극은 서로를 끌어 당깁니다.

여러분이 익숙한 또 다른 현상 인 중력은 이와 같지 않습니다. 중력은 두 질량 사이의 인력입니다. 질량의 "유형"은 하나뿐입니다. 그것은 전기 나 자기처럼 긍정적이고 부정적인 종류로 나오지 않습니다. 그리고이 한 종류의 질량은 항상 매력적이고 반발하지 않습니다.

그러나 자석은 항상 쌍극자로 나타난다는 점에서 자석과 전하 사이에는 뚜렷한 차이가 있습니다. 즉, 주어진 자석은 항상 북극과 남극을 갖습니다. 두 극은 분리 될 수 없습니다.

전기 쌍극자는 양전하와 음전하를 약간 떨어진 거리에 배치하여 만들 수도 있지만 항상 이러한 전하를 다시 분리 할 수 ​​있습니다. 북극과 남극이있는 막대 자석을 상상하고 그것을 반으로 잘라 북쪽과 남쪽으로 분리 된 대신 결과는 두 개의 작은 자석이됩니다. 극.

전기와 자기를 다른 힘과 비교하면 몇 가지 뚜렷한 차이를 볼 수 있습니다. 우주의 네 가지 기본 힘은 강함, 전자기력, 약한 힘 및 중력입니다. (전기력과 자기력은 동일한 단일 단어로 설명됩니다. 이에 대해서는 잠시 후에 자세히 설명합니다.)

강한 힘 (원자 내부에서 핵을 함께 유지하는 힘)을 1의 크기로 간주하면 전기와 자기의 상대적인 크기는 1/137입니다. 베타 붕괴의 원인이되는 약한 힘은 상대적 크기가 10입니다.^-6, 중력은 6 × 10의 상대적인 크기를가집니다.^-39.

당신은 그 권리를 읽었습니다. 오타가 아니 었습니다. 중력은 다른 모든 것에 비해 극도로 약합니다. 이것은 직관에 반하는 것처럼 보일 수 있습니다. 결국 중력은 행성을 움직이게하고 우리의 발을 땅에 고정시키는 힘입니다! 그러나 자석이있는 클립이나 정전기가있는 티슈를 집어 들면 어떻게되는지 생각해보십시오.

하나의 작은 자석이나 정전기로 충전 된 물체를 끌어 당기는 힘은 종이 클립이나 조직을 당기는 지구 전체의 중력을 방해 할 수 있습니다! 우리는 중력이 그 자체가 아니라 지구 전체의 중력을 가지고 있기 때문에 훨씬 더 강력하다고 생각합니다. 항상 우리에게 작용하는 반면, 이진성으로 인해 전하와 자석은 종종 스스로 배열되어 무력화.

더 자세히 살펴보고 전기와 자기를 실제로 비교하면 근본적인 수준에서 두 가지 측면이 동일한 현상이라는 것을 알 수 있습니다.전자기학. 이 현상을 완전히 설명하기 전에 관련된 개념에 대해 더 깊이 이해하겠습니다.

필드 란? 때때로 더 친숙해 보이는 것에 대해 생각하는 것이 도움이됩니다. 전기 및 자기와 같은 중력도 장을 생성하는 힘입니다. 지구 주변의 공간을 상상해보십시오.

우주에서 주어진 질량은 질량의 크기와 지구로부터의 거리에 따라 달라지는 힘을 느낄 것입니다. 그래서 우리는 지구 주변의 공간에들즉, 공간의 각 지점에 할당 된 값으로 상대적으로 얼마나 큰지, 어떤 방향으로 대응하는 힘이 있는지를 나타냅니다. 거리에서 중력장의 크기아르 자형질량에서미디엄예를 들어는 다음 공식으로 제공됩니다.

어디지만유 중력 상수 6.67408 × 10^-11 미디엄³/(kgs²). 주어진 지점에서이 필드와 관련된 방향은 지구 중심을 가리키는 단위 벡터입니다.

전기장은 같은 방식으로 작동합니다. 거리에서 전기장의 크기아르 자형포인트 차지에서큐공식은 다음과 같습니다.

어디케이쿨롱 상수 8.99 × 10⁹ Nm²/씨². 주어진 지점에서이 필드의 방향은 전하를 향합니다.큐만약큐음수이며 충전되지 않음큐만약큐긍정적입니다.

이 필드는 역 제곱 법칙을 따르므로 두 배 더 멀리 이동하면 필드가 1/4만큼 강해집니다. 여러 점 전하 또는 전하의 연속적인 분포에 의해 생성 된 전기장을 찾으려면 단순히 중첩을 찾거나 분포의 통합을 수행합니다.

자석은 항상 쌍극자로 오기 때문에 자기장은 조금 더 까다 롭습니다. 자기장의 크기는 종종 문자로 표시됩니다.비, 정확한 공식은 상황에 따라 다릅니다.

전기와 자기의 관계는 각각의 초기 발견 이후 수세기가 지나야 과학자들에게 분명하지 않았습니다. 두 현상 사이의 상호 작용을 탐구하는 몇 가지 주요 실험은 결국 오늘날 우리가 이해하게되었습니다.

1800 년대 초에 과학자들은 자기 나침반 바늘을 전류를 전달하는 전선 근처에서 잡으면 편향 될 수 있음을 처음으로 발견했습니다. 전류 운반 와이어가 자기장을 생성한다는 것이 밝혀졌습니다. 이 자기장 거리아르 자형무한히 긴 전선에서 전류를 전달나는공식은 다음과 같습니다.

어디μ​₀ 진공 투과율 4π​ × 10^-7 해당 없음². 이 필드의 방향은오른손 규칙– 오른손 엄지 손가락으로 전류 방향을 가리키고 손가락으로 자기장의 방향을 나타내는 원으로 와이어를 감 쌉니다.

이 발견은 전자석의 생성으로 이어졌습니다. 전류가 흐르는 전선을 코일로 감는다 고 상상해보십시오. 결과적인 자기장의 방향은 막대 자석의 쌍극자 장처럼 보일 것입니다!

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막대 자석의 자기는 그것을 구성하는 원자의 전자 운동에 의해 생성됩니다. 각 원자의 이동 전하는 작은 자기장을 생성합니다. 대부분의 재료에서 이러한 필드는 모든 방향으로 배향되어있어 순 자기가 크지 않습니다. 그러나 철과 같은 특정 재료에서 재료 구성은 이러한 필드가 모두 정렬되도록합니다.

그래서 자기는 정말로 전기의 표현입니다!

자기는 전기로 인해 발생하는 것이 아니라 자기로 인해 전기가 생성 될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이 발견은 Michael Faraday에 의해 이루어졌습니다. 전기와 자기가 관련되어 있다는 사실을 발견 한 직후 패러데이는 코일 중심을 통과하는 자기장을 변화시켜 와이어 코일에 전류를 생성하는 방법을 찾았습니다.

​패러데이의 법칙코일에 유도 된 전류가 그 원인이 된 변화에 반대되는 방향으로 흐를 것이라고 말합니다. 이것이 의미하는 것은 유도 전류가 자기장을 유발하는 변화하는 자기장에 반대하는 자기장을 생성하는 방향으로 흐를 것이라는 것입니다. 본질적으로, 유도 전류는 단순히 모든 필드 변화에 대응하려는 것입니다.

따라서 외부 자기장이 코일을 향한 다음 크기가 증가하면 전류가 이에 대응하기 위해 루프를 가리키는 자기장을 생성하는 방향으로 흐르고 변화. 외부 자기장이 코일을 가리키고 크기가 감소하면 전류가 흐릅니다. 변화에 대응하기 위해 코일을 가리키는 자기장을 생성합니다.

Faraday의 발견은 오늘날의 발전기 뒤에있는 기술로 이어졌습니다. 전기를 생산하기 위해서는 와이어 코일을 통과하는 자기장을 변화시키는 방법이 필요합니다. 이 변화를 일으키기 위해 강한 자기장이있는 상태에서 와이어 코일을 돌리는 것을 상상할 수 있습니다. 이것은 종종 바람이나 흐르는 물에 의해 움직이는 터빈과 같은 기계적 수단에 의해 수행됩니다.

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자기력과 전기력의 유사점은 많습니다. 두 세력 모두 전하에 작용하며 동일한 현상에서 기원합니다. 두 힘은 위에서 설명한 것처럼 비슷한 강도를 가지고 있습니다.

충전시 전기력큐필드 때문에이자형다음과 같이 지정됩니다.

충전에 대한 자기력큐속도로 이동V필드 때문에비로렌츠 힘의 법칙에 의해 주어진다 :

이 관계의 또 다른 공식은 다음과 같습니다.

어디나는현재이고엘필드의 와이어 또는 전도성 경로의 길이.

자력과 전기력 사이의 많은 유사점 외에도 몇 가지 뚜렷한 차이점이 있습니다. 자기력은 고정 전하 (v = 0이면 F = 0) 또는 자기장의 방향과 평행하게 움직이는 전하에 영향을주지 않습니다. (이는 0 외적 결과), 사실 자기력이 작용하는 정도는 속도와 속도 사이의 각도에 따라 달라집니다. 들.

James Clerk Maxwell은 전기와 자기의 관계를 수학적으로 요약하는 네 가지 방정식을 도출했습니다. 이 방정식은 다음과 같습니다.

이전에 논의 된 모든 현상은이 네 가지 방정식으로 설명 할 수 있습니다. 그러나 더 흥미로운 것은 그 도출 후에 이전에 알려진 것과 일치하지 않는 이러한 방정식에 대한 해결책이 발견되었다는 것입니다. 이 솔루션은 자기 전파 전자기파를 설명했습니다. 그러나이 파동의 속도가 도출되었을 때 다음과 같이 결정되었습니다.

이것은 빛의 속도입니다!

이것의 의미는 무엇입니까? 글쎄요, 과학자들이 꽤 오랫동안 그 성질을 탐구해온 현상 인 빛은 실제로 전자기 현상이라는 것이 밝혀졌습니다. 이것이 오늘날 당신이 그것을전자기 방사선​.

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