Jakie są 3 podobieństwa między magnesami a elektrycznością?

Siły elektryczne i magnetyczne to dwie siły występujące w przyrodzie. Choć na pierwszy rzut oka mogą wydawać się różne, oba pochodzą z pól związanych z naładowanymi cząstkami. Te dwie siły mają trzy główne podobieństwa i powinieneś dowiedzieć się więcej o tym, jak powstają te zjawiska.

Opłaty występują w odmianach dodatnich (+) i ujemnych (-). Podstawowym nośnikiem ładunku dodatniego jest proton, a nośnikiem ładunku ujemnego jest elektron. Oba mają ładunek wielkości e = 1,602 × 10^-19 Kulomby.

Przeciwieństwa się przyciągają i lubią odpychać; dwa ładunki dodatnie umieszczone blisko siebie będąodpychaćlub doświadcz siły, która je odpycha. To samo dotyczy dwóch ładunków ujemnych. Jednak ładunek dodatni i ujemny będziepociągaćwzajemnie.

Przyciąganie między ładunkami dodatnimi i ujemnymi powoduje, że większość przedmiotów jest elektrycznie obojętna. Ponieważ we wszechświecie jest tyle samo ładunków dodatnich, co ujemnych, a siły przyciągające i odpychające działają w taki sam sposób, ładunki mają tendencję do

Podobnie magnesy mają bieguny północny i południowy. Dwa magnetyczne bieguny północne będą się odpychać, podobnie jak dwa magnetyczne bieguny południowe, ale biegun północny i południowy będą się przyciągać.

Zauważ, że inne zjawisko, które prawdopodobnie znasz, grawitacja, nie jest takie. Grawitacja to siła przyciągająca między dwiema masami. Jest tylko jeden „rodzaj” masy. Nie występuje w pozytywnych i negatywnych odmianach, takich jak elektryczność i magnetyzm. A ten jeden rodzaj masy jest zawsze atrakcyjny, a nie odpychający.

Istnieje jednak wyraźna różnica między magnesami a ładunkami, ponieważ magnesy zawsze pojawiają się jako dipol. Oznacza to, że każdy magnes zawsze będzie miał biegun północny i południowy. Nie można rozdzielić dwóch biegunów.

Dipol elektryczny można również utworzyć, umieszczając ładunek dodatni i ujemny w niewielkiej odległości od siebie, ale zawsze można je ponownie rozdzielić. Jeśli wyobrazisz sobie magnes sztabkowy z biegunami północnym i południowym i miałbyś spróbować przeciąć go na pół, aby uzyskać oddzielić północ i południe, zamiast tego wynikiem byłyby dwa mniejsze magnesy, oba z własną północą i południem bieguny.

Jeśli porównamy elektryczność i magnetyzm z innymi siłami, zauważymy wyraźne różnice. Cztery podstawowe siły wszechświata to siły silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. (Zauważ, że siły elektryczne i magnetyczne są opisane jednym słowem – więcej o tym za chwilę.)

Jeśli przyjmiemy, że siła silna – siła, która utrzymuje razem nukleony wewnątrz atomu – ma wartość 1, to elektryczność i magnetyzm mają względną wartość 1/137. Oddziaływanie słabe – odpowiedzialne za rozpad beta – ma względną wielkość 10^-6, a siła grawitacyjna ma względną wielkość 6 × 10^-39.

Dobrze to przeczytałeś. To nie była literówka. Siła grawitacji jest niezwykle słaba w porównaniu do wszystkiego innego. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją – w końcu grawitacja to siła, która utrzymuje planety w ruchu i utrzymuje nasze stopy na ziemi! Ale zastanów się, co się stanie, gdy podniesiesz spinacz do papieru za pomocą magnesu lub chusteczkę elektrostatyczną.

Siła przyciągająca jeden mały magnes lub naładowany statycznie przedmiot może przeciwdziałać sile grawitacji całej Ziemi, która ciągnie spinacz lub tkankę! Uważamy, że grawitacja jest o wiele potężniejsza nie dlatego, że jest, ale dlatego, że mamy siłę grawitacyjną całego globu działające na nas przez cały czas, podczas gdy ze względu na swoją binarną naturę ładunki i magnesy często układają się tak, że są zneutralizowany.

Jeśli przyjrzymy się bliżej i naprawdę porównamy elektryczność i magnetyzm, zobaczymy, że na podstawowym poziomie są to dwa aspekty tego samego zjawiska zwanegoelektromagnetyzm. Zanim w pełni opiszemy to zjawisko, przyjrzyjmy się głębszemu zrozumieniu związanych z nim pojęć.

Czym jest pole? Czasami warto pomyśleć o czymś, co wydaje się bardziej znajome. Grawitacja, podobnie jak elektryczność i magnetyzm, jest również siłą, która tworzy pole. Wyobraź sobie region kosmosu wokół Ziemi.

Każda dana masa w kosmosie odczuje siłę zależną od wielkości jej masy i odległości od Ziemi. Wyobrażamy więc sobie, że przestrzeń wokół Ziemi zawierapole, czyli wartość przypisana do każdego punktu w przestrzeni, która wskazuje, jak stosunkowo duża i w jakim kierunku byłaby odpowiednia siła. Wielkość pola grawitacyjnego na odległośćrz masyM, na przykład, wyraża wzór:

Gdziesoljest uniwersalną stałą grawitacyjną 6,67408 × 10^-11 m³/(kgs²). Kierunek związany z tym polem w dowolnym punkcie byłby wektorem jednostkowym skierowanym w stronę środka Ziemi.

Pola elektryczne działają w ten sam sposób. Wielkość pola elektrycznego na odległośćrod opłaty punktowejqwyraża się wzorem:

Gdziekjest stałą Coulomba 8,99 × 10⁹ Nm²/DO². Kierunek tego pola w dowolnym punkcie jest w kierunku ładunkuqgdybyqjest ujemny i z dala od ładunkuqgdybyqjest pozytywny.

Zwróć uwagę, że te pola podlegają prawu odwrotności kwadratów, więc jeśli odejdziesz dwa razy dalej, pole stanie się o jedną czwartą silniejsze. Aby znaleźć pole elektryczne generowane przez kilka ładunków punktowych lub ciągły rozkład ładunku, po prostu znaleźlibyśmy superpozycję lub przeprowadzilibyśmy całkowanie rozkładu.

Pola magnetyczne są nieco trudniejsze, ponieważ magnesy zawsze występują jako dipole. Wielkość pola magnetycznego jest często reprezentowana przez literęb, a dokładna formuła zależy od sytuacji.

Związek między elektrycznością a magnetyzmem nie był oczywisty dla naukowców aż do kilku stuleci po początkowych odkryciach każdego z nich. Niektóre kluczowe eksperymenty badające interakcję między tymi dwoma zjawiskami ostatecznie doprowadziły do ​​zrozumienia, jakie mamy dzisiaj.

Na początku XIX wieku naukowcy po raz pierwszy odkryli, że igła kompasu magnetycznego może odchylać się, gdy trzymana jest w pobliżu drutu przewodzącego prąd. Okazuje się, że przewód przewodzący prąd wytwarza pole magnetyczne. To pole magnetyczne na odległośćrz nieskończenie długiego drutu przenoszącego prądjawyraża się wzorem:

Gdzieμ​₀ to przepuszczalność próżni 4π​ × 10^-7 Nie dotyczy². Kierunek tego pola jest określony przezzasada prawej ręki– skieruj kciuk prawej dłoni w kierunku prądu, a następnie palce owijają się wokół drutu w okręgu wskazującym kierunek pola magnetycznego.

To odkrycie doprowadziło do powstania elektromagnesów. Wyobraź sobie, że bierzesz przewód przewodzący prąd i owijasz go w cewkę. Kierunek wynikowego pola magnetycznego będzie wyglądał jak pole dipolowe magnesu sztabkowego!

•••pixabay

Magnetyzm w magnesie sztabkowym jest generowany przez ruch elektronów w tworzących go atomach. Poruszający się ładunek w każdym atomie wytwarza małe pole magnetyczne. W większości materiałów pola te są zorientowane we wszystkie strony, co nie powoduje znaczącego magnetyzmu netto. Ale w przypadku niektórych materiałów, takich jak żelazo, skład materiału pozwala na wyrównanie wszystkich tych pól.

Tak więc magnetyzm jest tak naprawdę przejawem elektryczności!

Okazuje się, że nie tylko magnetyzm wynika z elektryczności, ale elektryczność może być generowana z magnetyzmu. Odkrycia tego dokonał Michael Faraday. Krótko po odkryciu, że elektryczność i magnetyzm są powiązane, Faraday znalazł sposób na generowanie prądu w cewce drutu poprzez zmianę pola magnetycznego przechodzącego przez środek cewki.

​Prawo Faradayastwierdza, że ​​prąd indukowany w cewce popłynie w kierunku przeciwnym do zmiany, która go spowodowała. Oznacza to, że indukowany prąd będzie płynął w kierunku, który generuje pole magnetyczne, które przeciwstawia się zmieniającemu się polu magnetycznemu, które go spowodowało. W istocie indukowany prąd po prostu próbuje przeciwdziałać wszelkim zmianom pola.

Więc jeśli zewnętrzne pole magnetyczne jest skierowane na cewkę, a następnie zwiększa się, prąd będzie płynąć w takim kierunku, aby wytworzyć pole magnetyczne skierowane na zewnątrz pętli, aby temu przeciwdziałać zmiana. Jeśli zewnętrzne pole magnetyczne jest skierowane na cewkę i zmniejsza się, prąd popłynie w takim kierunku, aby wytworzyć pole magnetyczne, które również wskazuje na cewkę, aby przeciwdziałać zmianie.

Odkrycie Faradaya doprowadziło do powstania technologii stojącej za dzisiejszymi generatorami prądu. Aby generować energię elektryczną, musi istnieć sposób na zmianę pola magnetycznego przechodzącego przez zwój drutu. Możesz sobie wyobrazić obracanie cewki drutu w obecności silnego pola magnetycznego, aby wprowadzić tę zmianę. Często odbywa się to za pomocą środków mechanicznych, takich jak turbina poruszana przez wiatr lub płynąca woda.

•••pixabay

Istnieje wiele podobieństw między siłą magnetyczną a elektryczną. Obie siły działają na ładunki i mają swój początek w tym samym zjawisku. Obie siły mają porównywalne siły, jak opisano powyżej.

Siła elektryczna podczas ładowaniaqz powodu polamijest dany przez:

Siła magnetyczna podczas ładowaniaqporuszanie się z prędkościąvz powodu polabjest podane przez prawo siły Lorentza:

Inne sformułowanie tej relacji to:

Gdziejajest obecny iLdługość przewodu lub ścieżki przewodzącej w terenie.

Oprócz wielu podobieństw między siłą magnetyczną a elektryczną, istnieją również pewne wyraźne różnice. Zauważ, że siła magnetyczna nie wpłynie na ładunek stacjonarny (jeśli v = 0, to F = 0) lub ładunek poruszający się równolegle do kierunku pola (co daje iloczyn zerowy), a w rzeczywistości stopień, w jakim działa siła magnetyczna, zmienia się wraz z kątem między prędkością a pole.

James Clerk Maxwell wyprowadził zestaw czterech równań, które matematycznie podsumowują związek między elektrycznością a magnetyzmem. Te równania są następujące:

Wszystkie omówione wcześniej zjawiska można opisać tymi czterema równaniami. Ale jeszcze bardziej interesujące jest to, że po ich wyprowadzeniu znaleziono rozwiązanie tych równań, które nie wydawało się zgodne z tym, co było wcześniej znane. To rozwiązanie opisuje samorozchodzącą się falę elektromagnetyczną. Ale kiedy wyprowadzono prędkość tej fali, ustalono, że wynosi ona:

To jest prędkość światła!

Jakie jest to znaczenie? Okazuje się, że światło, zjawisko, którego właściwości naukowcy badali od dłuższego czasu, było w rzeczywistości zjawiskiem elektromagnetycznym. Dlatego dzisiaj widzisz to jakopromieniowanie elektromagnetyczne​.

•••pixabay