Hva er 3 likheter mellom magneter og elektrisitet?

Elektriske og magnetiske krefter er to krefter som finnes i naturen. Mens de ved første øyekast kan virke forskjellige, stammer de begge fra felt assosiert med ladede partikler. De to kreftene har tre hovedlikheter, og du bør lære mer om hvordan disse fenomenene oppstår.

Avgifter kommer i positive (+) og negative (-) varianter. Den grunnleggende positive ladningsbæreren er protonen og den negative ladningsbæreren er elektronet. Begge har en ladning på størrelse e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Motstander tiltrekker seg, og liker å frastøte; to positive ladninger plassert nær hverandre vildrive tilbake, eller opplev en kraft som skyver dem fra hverandre. Det samme gjelder to negative ladninger. En positiv og en negativ ladning vil imidlertidtiltrekkehverandre.

Tiltrekningen mellom positive og negative ladninger er det som har en tendens til å gjøre de fleste gjenstander elektrisk nøytrale. Fordi det er samme antall positive som negative ladninger i universet, og de attraktive og frastøtende kreftene fungerer slik de gjør, har ladningene en tendens til å

Magneter har på samme måte nord- og sørpoler. To magnetiske nordpoler vil frastøte hverandre som to magnetiske sørpoler, men en nordpol og sørpolen vil tiltrekke hverandre.

Merk at et annet fenomen du sannsynligvis er kjent med, tyngdekraften, ikke er slik. Tyngdekraft er en attraktiv kraft mellom to masser. Det er bare en "type" masse. Det kommer ikke i positive og negative varianter som elektrisitet og magnetisme gjør. Og denne ene massetypen er alltid attraktiv og ikke frastøtende.

Det er imidlertid en tydelig forskjell mellom magneter og ladninger ved at magneter alltid fremstår som en dipol. Det vil si at en hvilken som helst gitt magnet alltid vil ha en nord- og sørpol. De to stolpene kan ikke skilles.

En elektrisk dipol kan også opprettes ved å plassere en positiv og negativ ladning med liten avstand fra hverandre, men det er alltid mulig å skille disse ladningene igjen. Hvis du forestiller deg en stangmagnet med nord- og sørpolen, og du skulle prøve å kutte den i to for å lage en separat nord og sør, i stedet ville resultatet være to mindre magneter, begge med sitt eget nord og sør poler.

Hvis vi sammenligner elektrisitet og magnetisme med andre krefter, ser vi noen tydelige forskjeller. De fire grunnleggende kreftene i universet er de sterke, elektromagnetiske, svake og gravitasjonskreftene. (Merk at elektriske og magnetiske krefter er beskrevet med det samme ordet - mer om dette litt.)

Hvis vi anser den sterke kraften - kraften som holder nukleoner sammen inne i et atom - for å ha en styrke på 1, så har elektrisitet og magnetisme en relativ størrelse på 1/137. Den svake kraften - som er ansvarlig for beta-forfall - har en relativ størrelse på 10^-6, og gravitasjonskraften har en relativ størrelse på 6 × 10^-39.

Du leste riktig. Det var ikke en skrivefeil. Gravitasjonskraften er ekstremt svak i forhold til alt annet. Dette kan virke kontraintuitivt - tross alt er tyngdekraften kraften som holder planetene i bevegelse og holder føttene på bakken! Men tenk på hva som skjer når du tar opp en binders med en magnet eller et serviet med statisk elektrisitet.

Kraften som trekker opp den lille magneten eller statisk ladede gjenstand kan motvirke gravitasjonskraften til hele jorden som trekker på binders eller vev! Vi tenker på tyngdekraften som å være så mye kraftigere ikke fordi den er, men fordi vi har gravitasjonskraften til en hel klode. virker på oss hele tiden, mens ladninger og magneter ofte på grunn av deres binære natur ordner seg slik at de er det nøytralisert.

Hvis vi ser nærmere på og virkelig sammenligner elektrisitet og magnetisme, ser vi at de på et grunnleggende nivå er to aspekter av det samme fenomenetelektromagnetisme. Før vi fullt ut beskriver dette fenomenet, kan vi få en dypere forståelse av begrepene som er involvert.

Hva er et felt? Noen ganger er det nyttig å tenke på noe som virker mer kjent. Gravitasjon, som elektrisitet og magnetisme, er også en kraft som skaper et felt. Tenk deg verdensrommet rundt jorden.

Enhver gitt masse i rommet vil føle en kraft som avhenger av massens størrelse og avstanden fra jorden. Så vi forestiller oss at rommet rundt jorden inneholder enfelt, det vil si en verdi tildelt hvert punkt i rommet som gir en viss indikasjon på hvor relativt stor, og i hvilken retning en tilsvarende kraft ville være. Størrelsen på gravitasjonsfeltet en avstandrfra masseM, for eksempel, er gitt av formelen:

HvorGer den universelle gravitasjonskonstanten 6,67408 × 10^-11 m³/(kgs²). Retningen assosiert med dette feltet på et gitt punkt vil være en enhetsvektor som peker mot midten av jorden.

Elektriske felt fungerer på samme måte. Størrelsen på det elektriske feltet en avstandrfra poengladningqer gitt av formelen:

Hvorker Coulomb-konstanten 8,99 × 10⁹ Nm²/ C². Retningen til dette feltet på et gitt punkt er mot ladningenqhvisqer negativ, og vekk fra ladningqhvisqer positiv.

Merk at disse feltene overholder en omvendt firkantet lov, så hvis du beveger deg dobbelt så langt unna, blir feltet en fjerdedel så sterkt. For å finne det elektriske feltet generert av flere punktladninger, eller en kontinuerlig fordeling av ladning, ville vi ganske enkelt finne overstillingen eller utføre en integrering av fordelingen.

Magnetfelt er litt vanskeligere fordi magneter alltid kommer som dipoler. En størrelse på magnetfeltet blir ofte representert av bokstavenB, og den eksakte formelen for det avhenger av situasjonen.

Forholdet mellom elektrisitet og magnetisme var ikke tydelig for forskere før i flere århundrer etter de første oppdagelsene til hver. Noen viktige eksperimenter som utforsket samspillet mellom de to fenomenene, førte til slutt til forståelsen vi har i dag.

På begynnelsen av 1800-tallet oppdaget forskere først at en magnetisk kompassnål kan avbøyes når den holdes i nærheten av en ledning som bærer strøm. Det viser seg at en strømførende ledning skaper et magnetfelt. Dette magnetfeltet en avstandrfra en uendelig lang ledningsstrømJeger gitt av formelen:

Hvorμ​₀ er vakuumpermeabilitet 4π​ × 10^-7 Ikke relevant². Retningen til dette feltet er gitt avhøyre håndregel- pek tommelen på høyre hånd i retning av strømmen, og deretter vikler fingrene rundt ledningen i en sirkel som indikerer retningen til magnetfeltet.

Denne oppdagelsen førte til opprettelsen av elektromagneter. Tenk deg å ta en strømførende ledning og pakke den inn i en spole. Retningen til det resulterende magnetfeltet vil se ut som dipolfeltet til en stavmagnet!

•••Pixabay

Magnetisme i en stavmagnet genereres av bevegelsen til elektronene i atomene som utgjør den. Den bevegelige ladningen i hvert atom skaper et lite magnetfelt. I de fleste materialer er disse feltene orientert hver vei, noe som resulterer i ingen signifikant nettomagnetisme. Men i visse materialer, for eksempel jern, tillater materialets sammensetning at disse feltene blir justert.

Så magnetisme er virkelig en manifestasjon av elektrisitet!

Det viser seg at ikke bare magnetisme skyldes elektrisitet, men elektrisitet kan genereres fra magnetisme. Denne oppdagelsen ble gjort av Michael Faraday. Kort tid etter oppdagelsen av at elektrisitet og magnetisme var relatert, fant Faraday en måte å generere strøm i en trådspole ved å variere magnetfeltet som passerte gjennom midten av spolen.

​Faradays lovsier at strømmen indusert i en spole vil strømme i en retning som motarbeider endringen som forårsaket den. Det som menes med dette er at den induserte strømmen vil strømme i en retning som genererer et magnetfelt som motarbeider det skiftende magnetfeltet som forårsaket det. I hovedsak prøver den induserte strømmen ganske enkelt å motvirke eventuelle feltendringer.

Så hvis det eksterne magnetfeltet peker inn i spolen og deretter øker i størrelse, vil strømmen flyte i en slik retning for å skape et magnetfelt som peker ut av løkken for å motvirke dette endring. Hvis det ytre magnetfeltet peker inn i spolen og synker i størrelse, vil strømmen strømme i en slik retning for å skape et magnetfelt som også peker inn i spolen for å motvirke endringen.

Faradays oppdagelse førte til teknologien bak dagens kraftgeneratorer. For å kunne generere elektrisitet, må det være en måte å variere magnetfeltet som går gjennom en trådspole. Du kan forestille deg å vri en trådspole i nærvær av et sterkt magnetfelt for å vedta denne endringen. Dette gjøres ofte på mekaniske måter, for eksempel at en turbin beveges av vind eller rennende vann.

•••Pixabay

Likhetene mellom magnetisk kraft og elektrisk kraft er mange. Begge kreftene tar utgifter og har sitt utspring i det samme fenomenet. Begge kreftene har sammenlignbare styrker, som beskrevet ovenfor.

Elektrisk kraft på ladningqpå grunn av feltEer gitt av:

Den magnetiske kraften på ladningqbeveger seg med hastighetvpå grunn av feltBer gitt av Lorentz styrke lov:

En annen formulering av dette forholdet er:

HvorJeger den nåværende ogLlengden på ledningen eller den ledende banen i feltet.

I tillegg til de mange likhetene mellom magnetisk kraft og elektrisk kraft, er det også noen forskjellige forskjeller. Merk at magnetkraften ikke vil påvirke en stasjonær ladning (hvis v = 0, så F = 0) eller en ladning som beveger seg parallelt med feltretningen (som resulterer i et 0-kryssprodukt), og faktisk varierer graden magnetisk kraft virker med vinkelen mellom hastigheten og felt.

James Clerk Maxwell utledet et sett med fire ligninger som oppsummerer forholdet mellom elektrisitet og magnetisme matematisk. Disse ligningene er som følger:

Alle fenomenene som er diskutert tidligere kan beskrives med disse fire ligningene. Men enda mer interessant er at etter deres avledning ble det funnet en løsning på disse ligningene som ikke virket i samsvar med det som tidligere var kjent. Denne løsningen beskrev en selvforplantende elektromagnetisk bølge. Men da hastigheten til denne bølgen ble avledet, ble den bestemt:

Dette er lysets hastighet!

Hva er betydningen av dette? Vel, det viser seg at lys, et fenomen forskere hadde utforsket egenskapene til i ganske lang tid, faktisk var et elektromagnetisk fenomen. Dette er grunnen til at du i dag ser det referert til somelektromagnetisk stråling​.

•••Pixabay