Alle complexiteit van het universum om ons heen komt uiteindelijk voort uit vier fundamentele krachten: zwaartekracht, de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en elektromagnetisme. Elektromagnetisme kan een uitdagend onderwerp zijn om te bestuderen, maar de basis van wat de kracht is en hoe het werkt, is: vrij eenvoudig, en met name de Lorentz-krachtwet vertelt je de belangrijkste punten die je nodig hebt: begrijpen. In een notendop, de elektromagnetische kracht zorgt ervoor dat ongelijke ladingen - positief en negatief - elkaar aantrekken en ongelijke ladingen afstoten.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Elektromagnetisme is een van de vier fundamentele krachten in het universum. Het beschrijft hoe geladen deeltjes reageren op elektrische en magnetische velden, evenals de fundamentele verbanden daartussen. Elektromagnetische kracht, zoals alle krachten, wordt gemeten in Newton.
Elektrostatische krachten worden beschreven door de wet van Coulomb, en zowel elektrische als magnetische krachten vallen onder de Lorentz-krachtwet. De vier vergelijkingen van Maxwell bieden echter de meest gedetailleerde beschrijving van elektromagnetisme.
Elektromagnetisme: de basis
De term elektromagnetisme combineert de elektrische en magnetische krachten in een enkel woord omdat beide krachten het gevolg zijn van hetzelfde onderliggende fenomeen. "Geladen" deeltjes genereren elektrische velden en positieve en negatieve ladingen reageren verschillend op dat veld, wat de kracht verklaart die we waarnemen. Voor elektrische interacties duwen positief geladen deeltjes (zoals protonen) positief geladen deeltjes weg en trekken negatief geladen deeltjes aan (zoals elektronen), en vice versa. Elektrische veldlijnen verspreiden zich direct naar buiten vanuit positieve elektrische ladingen, en dit duwt deeltjes in de richting van - of in de tegenovergestelde richting van - de veldlijnen.
Magnetisme komt van magnetische velden, die worden gegenereerd door bewegende ladingen. Deeltjes reageren niet op dezelfde manier op magnetische velden als op elektrische velden. Magnetische veldlijnen vormen cirkels, zonder begin of einde. Als reactie daarop bewegen deeltjes in een richting loodrecht op zowel hun beweging als de veldlijn. Net als bij elektrische krachten bewegen positief geladen deeltjes en negatief geladen deeltjes in tegengestelde richtingen.
De elektromagnetische kracht is de op één na sterkste kracht in de natuur. De sterke kernkracht is de sterkste, elektromagnetische krachten zijn 137 keer minder krachtig, de zwakke kernkracht is een miljoen keer kleiner, en de zwaartekracht is veel, veel kleiner dan de rest (ongeveer 6 × 10−39 keer zwakker dan de sterke kernkracht).
Elektrostatische krachten en de wet van Coulomb
"Elektrostatische kracht" verwijst naar de elektrische kracht die wordt gegenereerd door stationaire ladingen. Het wordt beschreven door een eenvoudige vergelijking die bekend staat als de wet van Coulomb. Hierin staat dat:
F=\frac{kq_1q_2}{r^2}
Hier,Fbetekent kracht,kis een constante,q1 enq2 zijn de kosten, enris de afstand tussen hen. Grotere ladingen produceren een grotere kracht, en meer scheiding verzwakt de kracht van de kracht. Zoals met alle krachten, wordt elektromagnetische kracht gemeten in Newton (N). De constantekheeft een specifieke waarde, 9 × 109 Nm2 / C2. Lading wordt gemeten in coulombs (C), en je voert het teken van de lading (+ of −) samen met de sterkte in, dus de vergelijking heeft een positieve waarde voor afstoting en een negatieve voor aantrekking.
De Lorentzkrachtwet
De Lorentz-krachtwet omvat zowel magnetische als elektrische krachten, dus het is een van de beste weergaven van de elektromagnetische kracht. In de wet staat:
\bold{F}=q(\bold{E}+\bold{v}\times\bold{B})
WaarEis het magnetische veld,vis de snelheid van het deeltje, enBis het magnetische veld. Deze zijn vetgedrukt omdat het vectoren zijn, die zowel een richting als een sterkte hebben, en de× symbool is een vectorproduct in plaats van een eenvoudige vermenigvuldiging. De vergelijking vertelt ons dat de totale kracht de som is van het elektrische veld en het vectorproduct van de snelheid van het deeltje en het magnetische veld, allemaal vermenigvuldigd met de lading van het deeltje. Het vectorproduct produceert een kracht in een richting loodrecht op beide, in lijn met de vorige paragraaf.
Elektromagnetisme in actie: atomen, licht, elektriciteit en meer
Elektromagnetisme toont zich in vele vormen in het dagelijks leven en de natuurkunde. Atomen worden bij elkaar gehouden door de elektromagnetische aantrekkingskracht tussen de protonen in de kern en de elektronen die eromheen draaien. Licht is een elektromagnetische golf, waarbij een oscillerend elektrisch veld een veranderend magnetisch veld genereert, dat op zijn beurt een elektrisch veld creëert, enzovoort. Dit wordt voorspeld door de vergelijkingen van Maxwell (vier vergelijkingen die alles verklaren over elektromagnetisme in de taal van vectorcalculus), inclusief de karakteristieke snelheid waarmee het reist.
Elektromagnetisme is ook verantwoordelijk voor de elektriciteit die uw scherm en het apparaat waarop u leest van stroom voorziet, waarbij de stroom van elektronen langs elektrische veldlijnen wordt voortgestuwd die de energie leveren. Deze voorbeelden krassen slechts het oppervlak van het brede scala aan verschijnselen die door elektromagnetisme worden verklaard.