Elektros ir magnetinės jėgos yra dvi jėgos, randamos gamtoje. Nors iš pirmo žvilgsnio jie gali atrodyti skirtingi, jie abu kilę iš laukų, susijusių su įkrautomis dalelėmis. Abi jėgos turi tris pagrindinius panašumus, todėl turėtumėte daugiau sužinoti, kaip atsiranda šie reiškiniai.
1 - jie yra dviejų priešingų veislių
Kainos būna teigiamos (+) ir neigiamos (-). Pagrindinis teigiamo krūvio nešėjas yra protonas, o neigiamas - elektronas. Abiejų įkrovos dydis yra e = 1,602 × 10-19 Kulonai.
Priešybės traukia ir mėgsta atbaidyti; du šalia vienas kito esantys teigiami krūviaiatstumtiarba patirkite jėgą, kuri juos atstumia. Tas pats pasakytina apie du neigiamus krūvius. Tačiau teigiamas ir neigiamas krūvispritrauktivienas kitą.
Trauka tarp teigiamų ir neigiamų krūvių yra tai, kas dažniausiai daro daiktus neutraliai elektriškai. Kadangi visatoje yra tiek pat teigiamų, tiek neigiamų krūvių, o patrauklios ir atstumiančiosios jėgos veikia taip, kaip jos veikia, krūviai linkęneutralizuotiarba atšaukti vienas kitą.
Magnetai, panašiai, turi šiaurės ir pietų polius. Du magnetiniai šiaurės ašigaliai atstums vienas kitą, kaip ir du magnetiniai pietų ašigaliai, tačiau šiaurės ir pietų ašigaliai traukia vienas kitą.
Atkreipkite dėmesį, kad kitas jums greičiausiai pažįstamas reiškinys - gravitacija - nėra toks. Gravitacija yra patraukli jėga tarp dviejų masių. Yra tik viena masės „rūšis“. Tai nėra teigiamų ir neigiamų variantų, kaip tai daro elektra ir magnetizmas. Šios vienos rūšies mišios visada yra patrauklios ir neatbaidančios.
Yra akivaizdus skirtumas tarp magnetų ir krūvių, tačiau magnetai visada atrodo kaip dipolis. Tai reiškia, kad bet kuris magnetas visada turės šiaurės ir pietų ašigalį. Dviejų polių negalima atskirti.
Elektrinis dipolis taip pat gali būti sukurtas dedant teigiamą ir neigiamą krūvį tam tikru mažu atstumu, tačiau visada galima šiuos krūvius atskirti dar kartą. Jei įsivaizduojate strypo magnetą su šiaurės ir pietų ašimis ir turėtumėte pabandyti jį perpjauti per pusę, kad padarytumėte a atskirti šiaurę ir pietus, o rezultatas būtų du mažesni magnetai, abu turintys savo šiaurę ir pietus polių.
2 - jų santykinė jėga, palyginti su kitomis jėgomis
Jei palyginsime elektrą ir magnetizmą su kitomis jėgomis, pamatysime keletą ryškių skirtumų. Keturios pagrindinės visatos jėgos yra stiprios, elektromagnetinės, silpnos ir gravitacinės jėgos. (Atkreipkite dėmesį, kad elektrinės ir magnetinės jėgos apibūdinamos tuo pačiu žodžiu - daugiau apie tai šiek tiek.)
Jei manysime, kad stipri jėga - jėga, laikanti nukleonus kartu atomo viduje, turi 1 dydį, tada elektros ir magnetizmo santykinis dydis yra 1/137. Silpnos jėgos, kuri yra atsakinga už beta skilimą, santykinis dydis yra 10-6, o gravitacinės jėgos santykinis dydis yra 6 × 10-39.
Jūs teisingai perskaitėte. Tai nebuvo klaida. Gravitacinė jėga, palyginti su visa kita, yra ypač silpna. Tai gali atrodyti priešingai - juk gravitacija yra jėga, kuri palaiko planetas judesyje ir palaiko kojas ant žemės! Bet apsvarstykite, kas nutiks, kai pasiimsite sąvaržėlę su magnetu arba audinį su statine elektra.
Jėga, traukianti vieną mažą magnetą ar statiškai įkrautą daiktą, gali neutralizuoti visos Žemės gravitacinę jėgą, traukiančią sąvaržėlę ar audinį! Mes manome, kad gravitacija yra daug galingesnė ne todėl, kad ji yra, bet todėl, kad turime viso pasaulio gravitacinę jėgą veikia mus visada, o dėl savo dvejetainio pobūdžio krūviai ir magnetai dažnai susitvarko taip, kaip yra neutralizuotas.
3 - elektra ir magnetizmas yra dvi to paties reiškinio pusės
Jei atidžiau pažvelgsime ir iš tikrųjų palyginsime elektrą ir magnetizmą, pamatysime, kad iš esmės tai yra du to paties reiškinio aspektai, vadinamielektromagnetizmas. Prieš išsamiai aprašydami šį reiškinį, galime geriau suprasti susijusias sąvokas.
Elektriniai ir magnetiniai laukai
Kas yra laukas? Kartais naudinga pagalvoti apie tai, kas atrodo labiau pažįstama. Gravitacija, kaip elektra ir magnetizmas, taip pat yra jėga, sukurianti lauką. Įsivaizduokite kosmoso regioną aplink Žemę.
Bet kuri kosmoso masė pajus jėgą, kuri priklauso nuo jos masės dydžio ir atstumo nuo Žemės. Taigi mes įsivaizduojame, kad erdvėje aplink Žemę yra asrityje, tai yra kiekvienam erdvės taškui priskirta vertė, kuri tam tikru būdu nurodo, kokia santykinai didelė ir kokia kryptimi būtų atitinkama jėga. Gravitacinio lauko dydis atstumasrnuo mišiųM, pavyzdžiui, pateikiama pagal formulę:
E = {GM \ aukščiau {1pt} r ^ 2}
KurGyra universali gravitacinė konstanta 6,67408 × 10-11 m3/(kgs2). Su šiuo lauku susieta kryptis bet kuriame taške būtų vektoriaus vienetas, nukreiptas į Žemės centrą.
Elektriniai laukai veikia taip pat. Elektrinio lauko dydis atstumasrnuo taškinio krūvioqyra pateiktas pagal formulę:
E = {kq \ aukščiau {1pt} r ^ 2}
Kurkyra Kulono konstanta 8,99 × 109 Nm2/ C2. Šio lauko kryptis bet kuriame taške yra link krūvioqjeiqyra neigiamas ir neatsiejamas nuo mokesčioqjeiqyra teigiamas.
Atkreipkite dėmesį, kad šie laukai atitinka atvirkštinio kvadrato dėsnį, taigi, jei jūs judate dvigubai toliau, laukas tampa ketvirtadaliu stipresnis. Norėdami rasti elektrinį lauką, kurį sukuria keli taškiniai krūviai, arba nenutrūkstamą krūvio pasiskirstymą, mes paprasčiausiai rastume superpoziciją arba atliktume skirstinio integraciją.
Magnetiniai laukai yra šiek tiek sudėtingesni, nes magnetai visada būna kaip dipoliai. Magnetinio lauko dydį dažnai žymi raidėB, o tiksli jo formulė priklauso nuo situacijos.
Taigi, kur magnetizmasTikrai taipAtvyko is?
Elektros ir magnetizmo santykis mokslininkams buvo akivaizdus tik praėjus keliems šimtmečiams po kiekvieno iš jų pirmųjų atradimų. Kai kurie pagrindiniai eksperimentai, nagrinėjantys dviejų reiškinių sąveiką, galiausiai leido suprasti šiandien.
Dabartinės nešimo vielos sukuria magnetinį lauką
Dešimtojo dešimtmečio pradžioje mokslininkai pirmą kartą atrado, kad magnetinio kompaso adata gali būti nukreipta laikant šalia laido, nešančio srovę. Pasirodo, kad srovę nešanti viela sukuria magnetinį lauką. Šis magnetinis laukas yra atstumasrnuo be galo ilgos laidos, nešančios srovęAšyra pateiktas pagal formulę:
B = {\ mu_0 I \ aukščiau {1pt} 2 \ pi r}
Kurμ0 yra vakuumo pralaidumas 4π × 10-7 Nėra2. Šio lauko kryptį nurododešinės rankos taisyklė- nukreipkite dešinės rankos nykštį srovės kryptimi, o tada pirštai apsivynioja vielą ratu, nurodydami magnetinio lauko kryptį.
Šis atradimas paskatino sukurti elektromagnetus. Įsivaizduokite, kaip paimti srovę nešantį laidą ir suvynioti į ritę. Gauto magnetinio lauko kryptis atrodys kaip juostos magneto dipolio laukas!
•••Pixabay
Bet kaip su juostų magnetais? Iš kur jų magnetizmas?
Magnetizmą juostiniame magnete sukuria jį sudarančių atomų elektronų judėjimas. Judantis kiekvieno atomo krūvis sukuria mažą magnetinį lauką. Daugumoje medžiagų šie laukai yra nukreipti bet kuria kryptimi, todėl nėra reikšmingo tinklo magnetizmo. Tačiau tam tikrose medžiagose, pavyzdžiui, geležyje, medžiagos sudėtis leidžia visus laukus sulyginti.
Taigi magnetizmas iš tikrųjų yra elektros apraiška!
Bet palaukite, yra dar daugiau!
Pasirodo, kad magnetizmas atsiranda ne tik dėl elektros, bet ir iš magnetizmo. Šį atradimą padarė Michaelas Faraday. Netrukus po to, kai atrado, kad elektra ir magnetizmas yra susiję, Faradėjus rado būdą, kaip generuoti srovę vielos ritėje, keičiant magnetinį lauką, einantį per ritės centrą.
Faradėjaus įstatymasteigia, kad ritėje sukelta srovė tekės ta kryptimi, kuri priešinsis ją sukėlusiems pokyčiams. Tai reiškia, kad sukelta srovė tekės ta kryptimi, kuri sukuria magnetinį lauką, kuris priešinasi besikeičiančiam magnetiniam laukui, kuris jį sukėlė. Iš esmės, sukelta srovė tiesiog bando atsverti bet kokius lauko pokyčius.
Taigi, jei išorinis magnetinis laukas nukreiptas į ritę ir tada padidėja, srovė bus tekėti tokia kryptimi, kad sukurtų magnetinį lauką, nukreiptą iš kilpos, kad tam būtų neutralizuota pakeisti. Jei išorinis magnetinis laukas nukreiptas į ritę ir sumažėja, tai srovė tekės tokia kryptimi sukurti magnetinį lauką, kuris taip pat nukreiptas į ritę, kad būtų neutralizuotas pokytis.
Faraday atradimas paskatino technologiją, slypinčią šių dienų elektros generatoriuose. Norint gaminti elektrą, turi būti būdas pakeisti magnetinį lauką, einantį per vielos ritę. Galite įsivaizduoti vielos ritės pasukimą esant stipriam magnetiniam laukui, kad įvykdytumėte šį pakeitimą. Tai dažnai daroma mechaninėmis priemonėmis, pavyzdžiui, vėjo ar tekančio vandens judinama turbina.
•••Pixabay
Magnetinės jėgos ir elektrinės jėgos panašumai
Magnetinės jėgos ir elektros jėgos panašumų yra daug. Abi jėgos veikia pagal kaltinimus ir yra kilusios iš to paties reiškinio. Abi jėgos turi panašų stiprumą, kaip aprašyta aukščiau.
Elektros jėga įkrautaqdėl laukoEsuteikia:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Įkraunama magnetinė jėgaqjuda greičiuvdėl laukoByra pateiktas Lorenco jėgos įstatyme:
vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}
Kita šio santykio formuluotė yra:
vec {F} = \ vec {I} L \ times \ vec {B}
KurAšyra srovė irLlaido ar laidžio kelio ilgis lauke.
Be daugybės magnetinės jėgos ir elektrinės jėgos panašumų, yra ir keletas ryškių skirtumų. Atkreipkite dėmesį, kad magnetinė jėga neturės įtakos nejudančiam krūviui (jei v = 0, tada F = 0) ar krūviui, judančiam lygiagrečiai lauko krypčiai (dėl kurio gaunamas 0 kryžminis sandauga), o iš tikrųjų magnetinės jėgos veikimo laipsnis skiriasi priklausomai nuo greičio ir srityje.
Elektros ir magnetizmo ryšys
Jamesas Clerkas Maxwellas išvedė keturių lygčių rinkinį, kuriame matematiškai apibendrinamas elektros ir magnetizmo santykis. Šios lygtys yra tokios:
\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ daļinis \ vec {B}} {\ dalinis t} \\ \ tekstas {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ daļinis \ vec {E}} {\ dalinis t}
Visus anksčiau aptartus reiškinius galima apibūdinti šiomis keturiomis lygtimis. Bet dar įdomiau tai, kad po jų išvedimo buvo rastas šių lygčių sprendimas, kuris neatrodė suderinamas su tuo, kas anksčiau buvo žinoma. Šis sprendimas apibūdino savaime plintančią elektromagnetinę bangą. Bet kai buvo gautas šios bangos greitis, buvo nustatyta:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299 792 485 m / s
Tai šviesos greitis!
Kokia tai reikšmė? Na, pasirodo, šviesa - reiškinys, kurio mokslininkai ilgą laiką tyrinėjo savybes, iš tikrųjų buvo elektromagnetinis reiškinys. Štai kodėl šiandien matote, kad tai vadinamaelektromagnetinė radiacija.
•••Pixabay