Wat zijn 3 overeenkomsten tussen magneten en elektriciteit?

Elektrische en magnetische krachten zijn twee krachten die in de natuur voorkomen. Hoewel ze op het eerste gezicht misschien verschillend lijken, zijn ze allebei afkomstig uit velden die verband houden met geladen deeltjes. De twee krachten hebben drie belangrijke overeenkomsten en je zou meer moeten leren over hoe deze verschijnselen ontstaan.

Kosten zijn er in positieve (+) en negatieve (-) varianten. De fundamentele positieve ladingsdrager is het proton en de negatieve ladingsdrager is het elektron. Beide hebben een lading van magnitude e = 1.602 × 10^-19 Coulombs.

Tegenpolen trekken aan en houden van afstoten; twee positieve ladingen die dicht bij elkaar zijn geplaatst, zullenafstoten, of een kracht ervaren die hen uit elkaar duwt. Hetzelfde geldt voor twee negatieve ladingen. Een positieve en een negatieve lading zullen echteraantrekkenelkaar.

De aantrekkingskracht tussen positieve en negatieve ladingen is wat de meeste items elektrisch neutraal maakt. Omdat er evenveel positieve als negatieve ladingen in het universum zijn, en de aantrekkende en afstotende krachten werken zoals ze doen, hebben de ladingen de neiging om

Magneten hebben op dezelfde manier een noord- en een zuidpool. Twee magnetische noordpolen zullen elkaar afstoten, net als twee magnetische zuidpolen, maar een noordpool en een zuidpool zullen elkaar aantrekken.

Merk op dat een ander fenomeen waar je waarschijnlijk bekend mee bent, de zwaartekracht, niet zo is. Zwaartekracht is een aantrekkingskracht tussen twee massa's. Er is maar één "type" massa. Het komt niet in positieve en negatieve varianten zoals elektriciteit en magnetisme. En dit ene type massa is altijd aantrekkelijk en niet weerzinwekkend.

Er is echter een duidelijk verschil tussen magneten en ladingen, omdat magneten altijd als een dipool verschijnen. Dat wil zeggen dat elke magneet altijd een noord- en zuidpool heeft. De twee polen zijn niet te scheiden.

Een elektrische dipool kan ook ontstaan ​​door een positieve en negatieve lading op enige afstand van elkaar te plaatsen, maar het is altijd mogelijk om deze ladingen weer te scheiden. Als je je een staafmagneet voorstelt met zijn noord- en zuidpool, en je zou proberen hem doormidden te snijden om een scheid noord en zuid, in plaats daarvan zou het resultaat twee kleinere magneten zijn, beide met hun eigen noord en zuid palen.

Als we elektriciteit en magnetisme vergelijken met andere krachten, zien we enkele duidelijke verschillen. De vier fundamentele krachten van het universum zijn de sterke, elektromagnetische, zwakke en zwaartekracht. (Merk op dat elektrische en magnetische krachten worden beschreven door hetzelfde enkele woord - hierover later meer.)

Als we de sterke kracht - de kracht die nucleonen in een atoom bij elkaar houdt - beschouwen als een grootte van 1, dan hebben elektriciteit en magnetisme een relatieve grootte van 1/137. De zwakke kracht - die verantwoordelijk is voor bètaverval - heeft een relatieve grootte van 10^-6, en de zwaartekracht heeft een relatieve grootte van 6 × 10^-39.

Dat lees je goed. Het was geen typfout. De zwaartekracht is extreem slap in vergelijking met al het andere. Dit lijkt misschien contra-intuïtief - de zwaartekracht is tenslotte de kracht die planeten in beweging houdt en onze voeten op de grond houdt! Maar bedenk eens wat er gebeurt als je een paperclip oppakt met een magneet of een tissue met statische elektriciteit.

De kracht die de ene kleine magneet of het statisch geladen voorwerp omhoog trekt, kan de zwaartekracht van de hele aarde die aan de paperclip of het weefsel trekt, tegenwerken! We denken dat zwaartekracht zoveel krachtiger is, niet omdat het zo is, maar omdat we de zwaartekracht hebben van een hele bol die altijd op ons inwerken, terwijl ladingen en magneten, vanwege hun binaire aard, zichzelf vaak zo rangschikken dat ze geneutraliseerd.

Als we nauwkeuriger kijken en elektriciteit en magnetisme echt vergelijken, zien we dat het op een fundamenteel niveau twee aspecten zijn van hetzelfde fenomeen datelektromagnetisme. Laten we, voordat we dit fenomeen volledig beschrijven, een dieper begrip krijgen van de betrokken concepten.

Wat is een veld? Soms is het nuttig om na te denken over iets dat bekender lijkt. Zwaartekracht is, net als elektriciteit en magnetisme, ook een kracht die een veld creëert. Stel je het gebied van de ruimte rond de aarde voor.

Elke gegeven massa in de ruimte zal een kracht voelen die afhangt van de grootte van de massa en de afstand tot de aarde. Dus we stellen ons voor dat de ruimte rond de aarde een bevatveld-, dat wil zeggen, een waarde toegewezen aan elk punt in de ruimte die een indicatie geeft van hoe relatief groot, en in welke richting, een overeenkomstige kracht zou zijn. De grootte van het zwaartekrachtveld op afstand fieldrvan massaM, wordt bijvoorbeeld gegeven door de formule:

WaarGis de universele zwaartekrachtconstante 6.67408 × 10^-11 m³/(kgs²). De richting die op een bepaald punt bij dit veld hoort, zou een eenheidsvector zijn die naar het middelpunt van de aarde wijst.

Elektrische velden werken op dezelfde manier. De grootte van het elektrische veld op afstandrvanaf puntladingqwordt gegeven door de formule:

Waarkis de Coulomb-constante 8,99 × 10⁹ Nm²/C². De richting van dit veld op een bepaald punt is in de richting van de ladingqalsqis negatief, en weg van ladingqalsqis positief.

Merk op dat deze velden een inverse kwadratenwet gehoorzamen, dus als je twee keer zo ver weg beweegt, wordt het veld een kwart zo sterk. Om het elektrische veld te vinden dat wordt gegenereerd door verschillende puntladingen, of een continue ladingsverdeling, zouden we eenvoudig de superpositie vinden of een integratie van de distributie uitvoeren.

Magnetische velden zijn een beetje lastiger omdat magneten altijd als dipolen komen. Een grootte van het magnetische veld wordt vaak weergegeven door de letterB, en de exacte formule ervoor hangt af van de situatie.

De relatie tussen elektriciteit en magnetisme was pas enkele eeuwen na de eerste ontdekkingen van elk voor wetenschappers duidelijk. Enkele sleutelexperimenten die de interactie tussen de twee fenomenen onderzochten, leidden uiteindelijk tot het begrip dat we vandaag hebben.

In het begin van de 19e eeuw ontdekten wetenschappers voor het eerst dat een magnetische kompasnaald kon worden afgebogen als hij in de buurt van een stroomvoerende draad werd gehouden. Het blijkt dat een stroomvoerende draad een magnetisch veld creëert. Dit magnetische veld een afstandrvan een oneindig lange draad die stroom voertikwordt gegeven door de formule:

Waarμ​₀ is de vacuümdoorlaatbaarheid 4π​ × 10^-7 Nvt². De richting van dit veld wordt gegeven door derechterhand regel– wijs de duim van uw rechterhand in de richting van de stroom, en dan wikkelen uw vingers zich om de draad in een cirkel die de richting van het magnetische veld aangeeft.

Deze ontdekking leidde tot de creatie van elektromagneten. Stel je voor dat je een stroomvoerende draad neemt en deze in een spoel wikkelt. De richting van het resulterende magnetische veld zal lijken op het dipoolveld van een staafmagneet!

•••pixabay

Magnetisme in een staafmagneet wordt gegenereerd door de beweging van de elektronen in de atomen waaruit het bestaat. De bewegende lading in elk atoom creëert een klein magnetisch veld. In de meeste materialen zijn deze velden alle kanten op georiënteerd, wat resulteert in geen significant netto magnetisme. Maar in bepaalde materialen, zoals ijzer, zorgt de materiaalsamenstelling ervoor dat deze velden allemaal op één lijn worden gebracht.

Dus magnetisme is echt een manifestatie van elektriciteit!

Het blijkt dat magnetisme niet alleen voortkomt uit elektriciteit, maar dat elektriciteit kan worden opgewekt uit magnetisme. Deze ontdekking werd gedaan door Michael Faraday. Kort na de ontdekking dat elektriciteit en magnetisme verband hielden, vond Faraday een manier om stroom op te wekken in een draadspoel door het magnetische veld dat door het midden van de spoel gaat te variëren.

​De wet van Faradaystelt dat de stroom die in een spoel wordt geïnduceerd, zal stromen in een richting die de verandering die deze heeft veroorzaakt tegengaat. Hiermee wordt bedoeld dat de geïnduceerde stroom zal vloeien in een richting die een magnetisch veld genereert dat zich verzet tegen het veranderende magnetische veld dat de stroom veroorzaakte. In wezen probeert de geïnduceerde stroom eenvoudig veldveranderingen tegen te gaan.

Dus als het externe magnetische veld in de spoel wijst en dan in grootte toeneemt, zal de stroom in een dergelijke richting stromen om een ​​magnetisch veld te creëren dat uit de lus wijst om dit tegen te gaan verandering. Als het externe magnetische veld in de spoel wijst en in grootte afneemt, zal de stroom vloeien in een dergelijke richting om een ​​magnetisch veld te creëren dat ook in de spoel wijst om de verandering tegen te gaan.

De ontdekking van Faraday leidde tot de technologie achter de huidige stroomgeneratoren. Om elektriciteit op te wekken, moet er een manier zijn om het magnetische veld dat door een draadspoel gaat, te variëren. Je kunt je voorstellen dat je een draadspoel draait in aanwezigheid van een sterk magnetisch veld om deze verandering door te voeren. Vaak gebeurt dit met mechanische middelen, zoals het voortbewegen van een turbine door wind of stromend water.

•••pixabay

De overeenkomsten tussen magnetische kracht en elektrische kracht zijn talrijk. Beide krachten werken op ladingen en vinden hun oorsprong in hetzelfde fenomeen. Beide krachten hebben vergelijkbare sterktes, zoals hierboven beschreven.

Elektrische kracht op ladingqvanwege veldEis gegeven door:

De magnetische kracht op ladingqbewegen met snelheidvvanwege veldBwordt gegeven door de Lorentzkrachtwet:

Een andere formulering van deze relatie is:

Waarikis de huidige enLde lengte van de draad of het geleidende pad in het veld.

Naast de vele overeenkomsten tussen magnetische kracht en elektrische kracht, zijn er ook enkele duidelijke verschillen. Merk op dat de magnetische kracht geen invloed heeft op een stationaire lading (als v = 0, dan is F = 0) of een lading die evenwijdig aan de richting van het veld beweegt (wat resulteert in een 0-uitwendig product), en in feite varieert de mate waarin de magnetische kracht werkt met de hoek tussen de snelheid en de veld.

James Clerk Maxwell heeft een reeks van vier vergelijkingen afgeleid die de relatie tussen elektriciteit en magnetisme wiskundig samenvatten. Deze vergelijkingen zijn als volgt:

Alle eerder besproken fenomenen kunnen worden beschreven met deze vier vergelijkingen. Maar nog interessanter is dat na hun afleiding een oplossing voor deze vergelijkingen werd gevonden die niet consistent leek met wat eerder bekend was. Deze oplossing beschreef een zichzelf voortplantende elektromagnetische golf. Maar toen de snelheid van deze golf werd afgeleid, werd bepaald:

Dit is de snelheid van het licht!

Wat is de betekenis hiervan? Welnu, het blijkt dat licht, een fenomeen dat wetenschappers al geruime tijd aan het onderzoeken waren, eigenlijk een elektromagnetisch fenomeen was. Dit is de reden waarom je het tegenwoordig ziet alselectromagnetische straling​.

•••pixabay