Forțele electrice și magnetice sunt două forțe găsite în natură. Deși la prima vedere pot părea diferite, ambele provin din câmpuri asociate cu particule încărcate. Cele două forțe au trei asemănări principale și ar trebui să aflați mai multe despre modul în care apar aceste fenomene.
1 - Vin în două varietăți opuse
Taxele apar în soiuri pozitive (+) și negative (-). Purtătorul fundamental de sarcină pozitivă este protonul, iar purtătorul de sarcină negativă este electronul. Ambele au o sarcină de magnitudine e = 1.602 × 10-19 Coulombs.
Opusii atrag și le place să respingă; două sarcini pozitive plasate unul lângă celălalt vorrespinge, sau experimentați o forță care îi împinge. Același lucru este valabil și pentru două acuzații negative. O taxă pozitivă și una negativă, cu toate acestea, vor fia atragereciproc.
Atracția dintre sarcinile pozitive și negative este ceea ce tinde să facă majoritatea obiectelor neutre din punct de vedere electric. Deoarece există același număr de sarcini pozitive ca negative în univers, iar forțele atractive și respingătoare acționează așa cum acționează, sarcinile tind să
neutraliza, sau anulați-vă reciproc.Magneții, în mod similar, au poli nord și sud. Doi poli nordici magnetici se vor respinge la fel ca doi poli magnetici sudici, dar un pol nord și un pol sud se vor atrage reciproc.
Rețineți că un alt fenomen pe care probabil îl cunoașteți, gravitația, nu este așa. Gravitația este o forță atractivă între două mase. Există un singur „tip” de masă. Nu vine în soiuri pozitive și negative, cum ar fi electricitatea și magnetismul. Și acest tip de masă este întotdeauna atractiv și nu respingător.
Există o diferență distinctă între magneți și sarcini, totuși, prin faptul că magneții apar întotdeauna ca un dipol. Adică, orice magnet dat va avea întotdeauna un pol nord și sud. Cei doi poli nu pot fi separați.
Un dipol electric poate fi creat și prin plasarea unei sarcini pozitive și negative la o distanță mică, dar este întotdeauna posibil să separați din nou aceste sarcini. Dacă vă imaginați un magnet cu bara cu polii săi nord și sud și ați încerca să-l tăiați în jumătate pentru a face un separați nordul și sudul, în schimb rezultatul ar fi doi magneți mai mici, ambii cu propriul lor nord și sud stâlpi.
2 - Forța lor relativă în comparație cu alte forțe
Dacă comparăm electricitatea și magnetismul cu alte forțe, vedem unele diferențe distincte. Cele patru forțe fundamentale ale universului sunt forțele puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. (Rețineți că forțele electrice și magnetice sunt descrise de același cuvânt - mai multe despre asta într-un pic.)
Dacă considerăm că forța puternică - forța care ține împreună nucleonii în interiorul unui atom - are o magnitudine de 1, atunci electricitatea și magnetismul au o magnitudine relativă de 1/137. Forța slabă - care este responsabilă de degradarea beta - are o magnitudine relativă de 10-6, iar forța gravitațională are o magnitudine relativă de 6 × 10-39.
Ai citit bine. Nu a fost o greșeală de eroare. Forța gravitațională este extrem de timidă în comparație cu orice altceva. Acest lucru ar putea părea contraintuitiv - la urma urmei, gravitația este forța care menține planetele în mișcare și ne ține picioarele pe pământ! Dar ia în considerare ce se întâmplă atunci când ridici o agrafă cu magnet sau un țesut cu electricitate statică.
Forța care trage în sus un mic magnet sau un articol încărcat static poate contracara forța gravitațională a întregului Pământ care trage de agrafă sau țesut! Ne gândim la gravitație ca fiind mult mai puternică nu pentru că este, ci pentru că avem forța gravitațională a unui întreg glob acționând asupra noastră în orice moment, în timp ce, datorită naturii lor binare, încărcăturile și magneții se aranjează adesea astfel încât să fie neutralizat.
3 - Electricitatea și magnetismul sunt două laturi ale aceluiași fenomen
Dacă privim mai atent și comparăm cu adevărat electricitatea și magnetismul, vedem că la un nivel fundamental sunt două aspecte ale aceluiași fenomen numitelectromagnetism. Înainte de a descrie pe deplin acest fenomen, permiteți o înțelegere mai profundă a conceptelor implicate.
Câmpuri electrice și magnetice
Ce este un câmp? Uneori este util să ne gândim la ceva care pare mai familiar. Gravitația, la fel ca electricitatea și magnetismul, este, de asemenea, o forță care creează un câmp. Imaginați-vă regiunea spațiului din jurul Pământului.
Orice masă dată în spațiu va simți o forță care depinde de magnitudinea masei sale și de distanța sa de Pământ. Deci ne imaginăm că spațiul din jurul Pământului conține uncamp, adică o valoare atribuită fiecărui punct din spațiu care oferă unele indicații despre cât de mare ar fi și în ce direcție ar fi o forță corespunzătoare. Magnitudinea câmpului gravitațional la o distanțărdin masăM, de exemplu, este dat de formula:
E = {GM \ above {1pt} r ^ 2}
UndeGeste constanta gravitațională universală 6,67408 × 10-11 m3/(kgs2). Direcția asociată cu acest câmp în orice punct dat ar fi un vector unitar îndreptat spre centrul Pământului.
Câmpurile electrice funcționează în același mod. Magnitudinea câmpului electric la o distanțărde la încărcare punctualăqeste dat de formula:
E = {kq \ above {1pt} r ^ 2}
Undekeste constanta Coulomb 8,99 × 109 Nm2/ C2. Direcția acestui câmp în orice punct dat este spre încărcareqdacăqeste negativ și departe de sarcinăqdacăqeste pozitiv.
Rețineți că aceste câmpuri respectă o lege pătrată inversă, deci dacă vă deplasați de două ori mai departe, câmpul devine cu un sfert mai puternic. Pentru a găsi câmpul electric generat de mai multe sarcini punctuale sau o distribuție continuă a sarcinii, am găsi pur și simplu suprapunerea sau vom realiza o integrare a distribuției.
Câmpurile magnetice sunt puțin mai complicate, deoarece magneții vin întotdeauna ca dipoli. O amploare a câmpului magnetic este adesea reprezentată de literăB, iar formula exactă pentru aceasta depinde de situație.
Deci, unde face magnetismul?Într-adevărVine din?
Relația dintre electricitate și magnetism nu a fost evidentă oamenilor de știință decât la câteva secole după descoperirile inițiale ale fiecăruia. Unele experimente cheie care explorează interacțiunea dintre cele două fenomene au condus în cele din urmă la înțelegerea pe care o avem astăzi.
Sârmele purtătoare actuale creează un câmp magnetic
La începutul anilor 1800 oamenii de știință au descoperit pentru prima dată că un ac al busolei magnetice ar putea fi deviat atunci când este ținut lângă un fir care transportă curent. Se pare că un fir care transportă curent creează un câmp magnetic. Acest câmp magnetic la distanțărdintr-un fir infinit de lung care transportă curentEueste dat de formula:
B = {\ mu_0 I \ above {1pt} 2 \ pi r}
Undeμ0 este permeabilitatea la vid 4π × 10-7 N / A2. Direcția acestui câmp este dată deregula mâinii drepte- îndreaptă degetul mare al mâinii drepte în direcția curentului, apoi degetele se înfășoară în jurul firului într-un cerc care indică direcția câmpului magnetic.
Această descoperire a dus la crearea de electro-magneți. Imaginați-vă că luați un fir de curent și îl înfășurați într-o bobină. Direcția câmpului magnetic rezultat va arăta ca câmpul dipolar al unui magnet cu bare!
•••pixabay
Dar ce zici de magneții de bare? De unde vine magnetismul lor?
Magnetismul unui magnet magnet este generat de mișcarea electronilor din atomii care îl compun. Sarcina în mișcare din fiecare atom creează un câmp magnetic mic. În majoritatea materialelor, aceste câmpuri sunt orientate în toate direcțiile, rezultând un magnetism net semnificativ. Dar în anumite materiale, cum ar fi fierul, compoziția materialului permite ca aceste câmpuri să devină toate aliniate.
Deci magnetismul este într-adevăr o manifestare a electricității!
Dar stai, mai sunt!
Se pare că magnetismul nu numai că rezultă din electricitate, dar electricitatea poate fi generată din magnetism. Această descoperire a fost făcută de Michael Faraday. La scurt timp după descoperirea că electricitatea și magnetismul erau legate, Faraday a găsit o modalitate de a genera curent într-o bobină de sârmă prin variația câmpului magnetic care trece prin centrul bobinei.
Legea lui Faradayafirmă că curentul indus într-o bobină va curge într-o direcție care se opune schimbării care a provocat-o. Ceea ce se înțelege prin aceasta este că curentul indus va curge într-o direcție care generează un câmp magnetic care se opune câmpului magnetic în schimbare care l-a provocat. În esență, curentul indus încearcă pur și simplu să contracareze orice schimbări de câmp.
Deci, dacă câmpul magnetic extern este îndreptat spre bobină și apoi crește în magnitudine, curentul va fi curge într-o astfel de direcție pentru a crea un câmp magnetic îndreptat spre buclă pentru a contracara acest lucru Schimbare. Dacă câmpul magnetic extern este îndreptat spre bobină și scade în magnitudine, atunci curentul va curge într-o astfel de direcție pentru a crea un câmp magnetic care să indice, de asemenea, în bobină pentru a contracara schimbarea.
Descoperirea lui Faraday a condus la tehnologia din spatele generatoarelor de energie actuale. Pentru a genera electricitate, trebuie să existe o modalitate de a varia câmpul magnetic care trece printr-o bobină de sârmă. Vă puteți imagina întoarcerea unei bobine de sârmă în prezența unui câmp magnetic puternic pentru a promova această schimbare. Acest lucru se face adesea prin mijloace mecanice, cum ar fi o turbină care este deplasată de vânt sau de apa curentă.
•••pixabay
Asemănări între forța magnetică și forța electrică
Asemănările dintre forța magnetică și forța electrică sunt multe. Ambele forțe acționează sub acuzație și își au originile în același fenomen. Ambele forțe au puteri comparabile, așa cum s-a descris mai sus.
Forța electrică la încărcareqdatorită câmpuluiEeste dat de:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Forța magnetică de încărcareqdeplasându-se cu vitezăvdatorită câmpuluiBeste dat de legea forței Lorentz:
vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}
O altă formulare a acestei relații este:
vec {F} = \ vec {I} L \ times \ vec {B}
UndeEueste curentul șiLlungimea firului sau a traseului conductiv în câmp.
Pe lângă numeroasele similitudini dintre forța magnetică și forța electrică, există și unele diferențe distincte. Rețineți că forța magnetică nu va afecta o sarcină staționară (dacă v = 0, atunci F = 0) sau o sarcină care se deplasează paralel cu direcția câmpului (care are ca rezultat un produs transversal 0) și, de fapt, gradul în care acționează forța magnetică variază în funcție de unghiul dintre viteză și camp.
Relația dintre electricitate și magnetism
James Clerk Maxwell a derivat un set de patru ecuații care rezumă matematic relația dintre electricitate și magnetism. Aceste ecuații sunt după cum urmează:
\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ partial \ vec {B}} {\ partial t} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ partial \ vec {E}} {\ partial t}
Toate fenomenele discutate anterior pot fi descrise cu aceste patru ecuații. Dar și mai interesant este că, după derivarea lor, a fost găsită o soluție la aceste ecuații care nu părea în concordanță cu ceea ce se știa anterior. Această soluție a descris o undă electromagnetică cu auto-propagare. Dar când s-a determinat viteza acestei unde, sa stabilit că:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299.792.485 m / s
Aceasta este viteza luminii!
Care este semnificația acestui lucru? Ei bine, se pare că lumina, un fenomen pe care oamenii de știință îl exploraseră proprietățile de ceva timp, era de fapt un fenomen electromagnetic. Acesta este motivul pentru care astăzi îl vedeți denumitradiatie electromagnetica.
•••pixabay