В чем 3 сходства между магнитами и электричеством?

Электрические и магнитные силы - две силы, существующие в природе. Хотя на первый взгляд они могут показаться разными, оба они происходят из полей, связанных с заряженными частицами. У этих двух сил есть три основных сходства, и вам следует больше узнать о том, как возникают эти явления.

Плата бывает положительной (+) и отрицательной (-). Основным положительным носителем заряда является протон, а отрицательным носителем заряда - электрон. Оба имеют заряд величиной e = 1.602 × 10.^-19 Кулоны.

Противоположности притягиваются, а любит отталкиваться; два положительных заряда, помещенные рядом друг с другом, будутотталкивать, или ощутите силу, которая их раздвигает. То же самое и с двумя отрицательными зарядами. Однако положительный и отрицательный зарядпривлекатьдруг с другом.

Притяжение между положительными и отрицательными зарядами - вот что делает большинство предметов электрически нейтральными. Поскольку количество положительных зарядов во Вселенной такое же, как и отрицательных, а силы притяжения и отталкивания действуют таким же образом, заряды имеют тенденцию к

Магниты также имеют северный и южный полюса. Два северных магнитных полюса будут отталкиваться друг от друга, как и два южных магнитных полюса, но северный и южный полюса будут притягиваться друг к другу.

Обратите внимание, что другое явление, с которым вы, вероятно, знакомы, - гравитация, - не похоже на это. Гравитация - это сила притяжения между двумя массами. Есть только один «тип» массы. У него нет положительных и отрицательных разновидностей, как у электричества и магнетизма. И эта масса всегда привлекательна и не отталкивает.

Однако между магнитами и зарядами есть четкое различие в том, что магниты всегда выглядят как диполь. То есть у любого данного магнита всегда будет северный и южный полюс. Два полюса нельзя разделить.

Электрический диполь также можно создать, поместив положительный и отрицательный заряды на некотором небольшом расстоянии друг от друга, но всегда можно снова разделить эти заряды. Если вы представите стержневой магнит с его северным и южным полюсами, и вы попытаетесь разрезать его пополам, чтобы получился разделите север и юг, вместо этого в результате будут два меньших магнита, каждый со своим собственным севером и югом. полюса.

Если мы сравним электричество и магнетизм с другими силами, мы увидим некоторые отчетливые различия. Четыре фундаментальные силы Вселенной - это сильная, электромагнитная, слабая и гравитационная силы. (Обратите внимание, что электрические и магнитные силы описываются одним и тем же словом - подробнее об этом чуть позже.)

Если мы рассмотрим сильную силу - силу, которая удерживает нуклоны вместе внутри атома - величиной 1, то электричество и магнетизм имеют относительную величину 1/137. Слабое взаимодействие, ответственное за бета-распад, имеет относительную величину 10^-6, а сила тяжести имеет относительную величину 6 × 10^-39.

Вы правильно прочитали. Это не было опечаткой. Гравитационная сила чрезвычайно слабая по сравнению со всем остальным. Это может показаться нелогичным - в конце концов, гравитация - это сила, которая держит планеты в движении и удерживает наши ноги на земле! Но подумайте, что происходит, когда вы берете скрепку с магнитом или салфетку со статическим электричеством.

Сила, тянущая вверх один маленький магнит или статически заряженный предмет, может противодействовать гравитационной силе всей Земли, притягивающей скрепку или ткань! Мы думаем о гравитации как о гораздо более мощной не потому, что она есть, а потому, что у нас есть гравитационная сила всего земного шара. действуют на нас все время, тогда как из-за своей бинарной природы заряды и магниты часто располагаются так, что они нейтрализован.

Если мы посмотрим более внимательно и действительно сравним электричество и магнетизм, мы увидим, что на фундаментальном уровне это два аспекта одного и того же явления, называемогоэлектромагнетизм. Прежде чем полностью описать этот феномен, давайте получим более глубокое понимание задействованных концепций.

Что такое поле? Иногда полезно подумать о чем-то более знакомом. Гравитация, как электричество и магнетизм, также является силой, создающей поле. Представьте себе область космоса вокруг Земли.

Любая заданная масса в космосе будет ощущать силу, которая зависит от величины ее массы и расстояния от Земли. Итак, мы представляем себе, что пространство вокруг Земли содержитполе, то есть значение, присвоенное каждой точке в пространстве, которое дает некоторое представление о том, насколько велика и в каком направлении будет соответствующая сила. Величина гравитационного поля на расстояниириз массыM, например, дается формулой:

Гдеграмм- универсальная гравитационная постоянная 6,67408 × 10^-11 м³/(kgs²). Направление, связанное с этим полем в любой заданной точке, будет единичным вектором, указывающим на центр Земли.

Точно так же действуют электрические поля. Величина электрического поля на расстояниирот точечной оплатыqдается формулой:

Гдеk- кулоновская постоянная 8,99 × 10⁹ Нм²/ C². Направление этого поля в любой точке - к заряду.qеслиqотрицательный, и вдали от зарядаqеслиqположительный.

Обратите внимание, что эти поля подчиняются закону обратных квадратов, поэтому, если вы отодвинетесь вдвое дальше, поле станет на четверть сильнее. Чтобы найти электрическое поле, создаваемое несколькими точечными зарядами, или непрерывное распределение заряда, мы должны просто найти суперпозицию или выполнить интегрирование распределения.

Магнитные поля немного сложнее, потому что магниты всегда имеют форму диполей. Величину магнитного поля часто обозначают буквойB, и точная формула для него зависит от ситуации.

Взаимосвязь между электричеством и магнетизмом не была очевидна ученым до тех пор, пока через несколько столетий после первых открытий каждого из них. Некоторые ключевые эксперименты, изучающие взаимодействие между двумя явлениями, в конечном итоге привели к пониманию, которое мы имеем сегодня.

В начале 1800-х годов ученые впервые обнаружили, что стрелка магнитного компаса может отклоняться, если держать ее рядом с проводом, по которому течет ток. Оказывается, токоведущий провод создает магнитное поле. Это магнитное поле на расстояниирот бесконечно длинного провода, несущего токядается формулой:

Гдеμ​₀ - проницаемость вакуума 4π​ × 10^-7 N / A². Направление этого поля задаетсяправило правой руки- направьте большой палец правой руки в сторону тока, а затем пальцы обхватят провод по кругу, указывающему направление магнитного поля.

Это открытие привело к созданию электромагнитов. Представьте, что вы берете провод с током и наматываете его в катушку. Направление результирующего магнитного поля будет похоже на дипольное поле стержневого магнита!

•••pixabay

Магнетизм в стержневом магните создается движением электронов в атомах, которые его составляют. Движущийся заряд в каждом атоме создает небольшое магнитное поле. В большинстве материалов эти поля ориентированы в разные стороны, что не приводит к значительному суммарному магнетизму. Но в некоторых материалах, таких как железо, состав материала позволяет выровнять все эти поля.

Итак, магнетизм - это действительно проявление электричества!

Оказывается, что не только магнетизм является результатом электричества, но и электричество может быть произведено из магнетизма. Это открытие сделал Майкл Фарадей. Вскоре после открытия связи электричества и магнетизма Фарадей нашел способ генерировать ток в катушке с проволокой, изменяя магнитное поле, проходящее через центр катушки.

​Закон Фарадеяутверждает, что ток, индуцированный в катушке, будет течь в направлении, противоположном вызвавшему его изменению. Под этим подразумевается, что индуцированный ток будет течь в направлении, которое создает магнитное поле, которое противостоит изменяющемуся магнитному полю, вызвавшему его. По сути, индуцированный ток просто пытается противодействовать любым изменениям поля.

Таким образом, если внешнее магнитное поле направлено на катушку, а затем увеличивается по величине, ток будет поток в таком направлении, чтобы создать магнитное поле, указывающее из петли, чтобы противодействовать этому менять. Если внешнее магнитное поле направлено внутрь катушки и уменьшается по величине, то ток будет течь. в таком направлении, чтобы создать магнитное поле, которое также направлено внутрь катушки, чтобы противодействовать изменению.

Открытие Фарадея привело к технологии, лежащей в основе сегодняшних генераторов энергии. Чтобы генерировать электричество, должен быть способ изменять магнитное поле, проходящее через катушку с проволокой. Вы можете представить себе поворот катушки с проволокой в ​​присутствии сильного магнитного поля, чтобы вызвать это изменение. Часто это делается с помощью механических средств, таких как турбина, приводимая в движение ветром или текущей водой.

•••pixabay

Между магнитной силой и электрической силой много общего. Обе силы действуют на заряды и берут начало в одном и том же явлении. Обе силы имеют сопоставимые силы, как описано выше.

Электрическая сила на зарядкеqиз-за поляEдан кем-то:

Магнитная сила на зарядеqдвижется со скоростьюvиз-за поляBдается законом силы Лоренца:

Другая формулировка этих отношений:

Гдеяэто текущий иLдлина провода или токопроводящего пути в поле.

В дополнение ко многим сходствам между магнитной силой и электрической силой, есть также некоторые четкие различия. Обратите внимание, что магнитная сила не будет влиять на неподвижный заряд (если v = 0, то F = 0) или заряд, движущийся параллельно направлению поля. (что приводит к перекрестному произведению 0), и фактически степень, в которой действует магнитная сила, зависит от угла между скоростью и поле.

Джеймс Клерк Максвелл вывел систему из четырех уравнений, которые математически резюмируют взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Эти уравнения выглядят следующим образом:

Все явления, обсуждавшиеся ранее, можно описать этими четырьмя уравнениями. Но еще интереснее то, что после их вывода было найдено решение этих уравнений, которое, казалось, не соответствовало тому, что было известно ранее. Это решение описывало самораспространяющуюся электромагнитную волну. Но когда была получена скорость этой волны, она была определена как:

Это скорость света!

В чем это значение? Что ж, оказывается, что свет - явление, свойства которого ученые изучали в течение довольно долгого времени, на самом деле был электромагнитным явлением. Вот почему сегодня вы видите, что это называетсяэлектромагнитное излучение​.

•••pixabay