Elektrické a magnetické sily sú dve sily nachádzajúce sa v prírode. Aj keď sa na prvý pohľad môžu zdať odlišné, obe pochádzajú z polí spojených s nabitými časticami. Tieto dve sily majú tri hlavné podobnosti a mali by ste sa dozvedieť viac o tom, ako tieto javy vznikajú.
1 - Prichádzajú v dvoch protikladných odrodách
Poplatky sú kladné (+) a záporné (-) odrody. Základným nosičom kladného náboja je protón a nosičom záporného náboja je elektrón. Oba majú náboj veľkosti e = 1,602 × 10-19 Coulombs.
Protiklady lákajú a majú rady odpudzovanie; dva kladné náboje umiestnené blízko sebaodpudzovať, alebo zažiť silu, ktorá ich tlačí od seba. To isté platí pre dva záporné náboje. Kladný a záporný náboj však budúprilákaťnavzájom.
Príťažlivosť medzi kladnými a zápornými nábojmi je to, čo vedie k tomu, že väčšina položiek je elektricky neutrálna. Pretože vo vesmíre existuje rovnaký počet pozitívnych ako negatívnych nábojov a atraktívne a odpudivé sily pôsobia tak, ako konajú, majú náboje tendenciuneutralizovať, alebo sa navzájom zrušiť.
Magnety majú podobne severný a južný pól. Dva magnetické severné póly sa budú navzájom odpudzovať rovnako ako dva magnetické južné póly, ale severný pól a južný pól sa navzájom priťahujú.
Všimnite si, že iný jav, ktorý pravdepodobne poznáte, gravitácia, nie je taký. Gravitácia je príťažlivá sila medzi dvoma masami. Existuje iba jeden „typ“ omše. Neprichádza v pozitívnych a negatívnych variantoch, ako je elektrina a magnetizmus. A tento jeden druh omše je vždy atraktívny a nie odpudzujúci.
Medzi magnetmi a nábojmi je zreteľný rozdiel, pretože magnety sa vždy javia ako dipól. To znamená, že akýkoľvek daný magnet bude mať vždy severný a južný pól. Tieto dva póly sa nedajú oddeliť.
Elektrický dipól je možné vytvoriť aj umiestnením kladného a záporného náboja v malej vzdialenosti od seba, vždy je však možné tieto náboje znova oddeliť. Ak si predstavíte tyčový magnet so severným a južným pólom a pokúsili by ste sa ho rozrezať na polovicu, aby ste vytvorili a samostatný sever a juh, výsledkom by boli dva menšie magnety, oba s vlastným severom a juhom póly.
2 - Ich relatívna sila v porovnaní s inými silami
Ak porovnáme elektrinu a magnetizmus s inými silami, vidíme výrazné rozdiely. Štyri základné sily vesmíru sú silné, elektromagnetické, slabé a gravitačné sily. (Upozorňujeme, že elektrické a magnetické sily sú opísané rovnakým jedným slovom - o tom trochu viac.)
Ak vezmeme do úvahy, že silná sila - sila, ktorá drží nukleóny pohromade vo vnútri atómu - má veľkosť 1, potom elektrina a magnetizmus majú relatívnu veľkosť 1/137. Slabá sila - ktorá je zodpovedná za rozpad beta - má relatívnu veľkosť 10-6a gravitačná sila má relatívnu veľkosť 6 × 10-39.
Čítate dobre. Nebol to preklep. Gravitačná sila je v porovnaní so všetkým ostatným mimoriadne slabá. Mohlo by sa to zdať neintuitívne - koniec koncov, gravitácia je sila, ktorá udržuje planéty v pohybe a drží naše nohy pri zemi! Zvážte však, čo sa stane, keď zoberiete kancelársku sponku s magnetom alebo vreckovku statickou elektrinou.
Sila ťahajúca jeden malý magnet alebo staticky nabitý predmet môže pôsobiť proti gravitačnej sile celej Zeme pôsobiacej na kancelársku sponku alebo papierovú vreckovku! Myslíme si, že gravitácia je oveľa silnejšia nie preto, že je, ale preto, že máme gravitačnú silu celej planéty. pôsobiace na nás vždy, zatiaľ čo kvôli svojej binárnej povahe sa náboje a magnety často usporadúvajú tak, aby boli neutralizovaný.
3 - Elektrina a magnetizmus sú dve strany toho istého fenoménu
Ak sa pozrieme bližšie a skutočne porovnáme elektrinu a magnetizmus, zistíme, že na základnej úrovni sú to dva aspekty toho istého javu tzv.elektromagnetizmus. Predtým, ako tento jav úplne popíšeme, dovoľme si hlbšie porozumieť príslušným konceptom.
Elektrické a magnetické polia
Čo je to pole? Niekedy je užitočné zamyslieť sa nad niečím, čo sa javí ako známejšie. Gravitácia, podobne ako elektrina a magnetizmus, je tiež silou, ktorá vytvára pole. Predstavte si oblasť vesmíru okolo Zeme.
Akákoľvek daná hmota vo vesmíre pocíti silu, ktorá závisí od veľkosti jej hmotnosti a jej vzdialenosti od Zeme. Takže si predstavujeme, že priestor okolo Zeme obsahuje alúka, to znamená hodnota priradená každému bodu v priestore, ktorá dáva určitý údaj o tom, ako relatívne veľká a v akom smere by bola zodpovedajúca sila. Veľkosť gravitačného poľa na vzdialenosťrz omšeMje napríklad dané vzorcom:
E = {GM \ nad {1pt} r ^ 2}
KdeGje univerzálna gravitačná konštanta 6,67 408 × 10-11 m3/(kgs2). Smer spojený s týmto poľom v ktoromkoľvek danom bode by bol jednotkový vektor smerujúci do stredu Zeme.
Elektrické polia fungujú rovnako. Veľkosť elektrického poľa na diaľkurz bodového nábojaqje dané vzorcom:
E = {kq \ nad {1pt} r ^ 2}
Kdekje Coulombova konštanta 8,99 × 109 Nm2/ C2. Smer tohto poľa v ktoromkoľvek danom bode je smerom k nábojuqakqje záporná a nie je nabitáqakqje pozitívny.
Upozorňujeme, že tieto polia sa riadia inverznými štvorcovými zákonmi, takže ak sa posuniete dvakrát tak ďaleko, stane sa pole o štvrtinu tak silné. Aby sme našli elektrické pole generované niekoľkými bodovými nábojmi alebo spojitým rozdelením náboja, jednoducho by sme našli superpozíciu alebo vykonali integráciu distribúcie.
Magnetické polia sú trochu zložitejšie, pretože magnety vždy prichádzajú ako dipóly. Veľkosť magnetického poľa je často predstavovaná písmenomBa jeho presný vzorec závisí od situácie.
Takže kde je magnetizmusNaozajPochádzať z?
Vzťah medzi elektrinou a magnetizmom bol vedcom zrejmý až niekoľko storočí po ich prvých objavoch. Niektoré kľúčové experimenty skúmajúce interakciu medzi týmito dvoma javmi nakoniec viedli k pochopeniu, ktoré máme dnes.
Súčasné nosné drôty vytvárajú magnetické pole
Na začiatku 19. storočia vedci prvýkrát zistili, že ihla magnetického kompasu sa dá vychýliť, keď je držaná v blízkosti drôtu prenášajúceho prúd. Ukazuje sa, že drôt prenášajúci prúd vytvára magnetické pole. Toto magnetické pole na diaľkurz nekonečne dlhého drôtu prenášajúceho prúdJaje dané vzorcom:
B = {\ mu_0 I \ nad {1pt} 2 \ pi r}
Kdeμ0 je priepustnosť pre vákuum 4π × 10-7 N / A2. Smer tohto poľa je danýpravidlo pravej ruky- nasmerujte palec svojej pravej ruky v smere prúdu a potom prsty obklopte drôt v kruhu označujúcom smer magnetického poľa.
Tento objav viedol k vytvoreniu elektromagnetov. Predstavte si, že vezmete drôt na prenášanie prúdu a zabalíte ho do cievky. Smer výsledného magnetického poľa bude vyzerať ako dipólové pole tyčového magnetu!
•••Dreamstime
Čo však s tyčovými magnetmi? Odkiaľ pochádza ich magnetizmus?
Magnetizmus v tyčovom magnetu je generovaný pohybom elektrónov v atómoch, ktoré ho tvoria. Pohyblivý náboj v každom atóme vytvára malé magnetické pole. Vo väčšine materiálov sú tieto polia orientované ľubovoľným spôsobom, čo vedie k výraznému magnetizmu siete. Ale v určitých materiáloch, ako je železo, materiálové zloženie umožňuje, aby sa všetky tieto polia vyrovnali.
Magnetizmus je teda skutočne prejavom elektriny!
Ale počkajte, je toho viac!
Ukazuje sa, že magnetizmus vzniká nielen z elektriny, ale elektrina sa môže vyrábať aj z magnetizmu. Tento objav urobil Michael Faraday. Krátko po objave, že elektrina a magnetizmus spolu súvisia, našiel Faraday spôsob, ako generovať prúd v cievke drôtu zmenou magnetického poľa prechádzajúceho stredom cievky.
Faradayov zákonuvádza, že prúd indukovaný v cievke bude prúdiť v smere, ktorý je proti zmene, ktorá ju spôsobila. To znamená, že indukovaný prúd bude prúdiť v smere, ktorý generuje magnetické pole, ktoré je proti meniacemu sa magnetickému poľu, ktoré ho spôsobilo. Indukovaný prúd sa v podstate snaží vyrovnať akékoľvek zmeny poľa.
Takže ak vonkajšie magnetické pole smeruje do cievky a potom sa zväčšuje, prúd bude prúdiť takým smerom, aby sa vytvorilo magnetické pole smerujúce von zo slučky, aby sa tomu zabránilo zmeniť. Ak vonkajšie magnetické pole smeruje do cievky a zmenšuje sa, potom bude prúdiť prúd v takomto smere vytvoriť magnetické pole, ktoré smeruje tiež do cievky, aby sa zabránilo zmene.
Faradayov objav viedol k technológii dnešných generátorov energie. Na výrobu elektriny musí existovať spôsob, ako meniť magnetické pole prechádzajúce cievkou drôtu. Môžete si predstaviť, že budete otáčať drôtovú cievku v prítomnosti silného magnetického poľa, aby ste túto zmenu vykonali. Často sa to deje mechanickými prostriedkami, napríklad turbínou poháňanou vetrom alebo prúdiacou vodou.
•••Dreamstime
Podobnosti medzi magnetickou a elektrickou silou
Podobností medzi magnetickou a elektrickou silou je veľa. Obe sily pôsobia na základe obvinení a majú pôvod v rovnakom jave. Obe sily majú porovnateľnú silu, ako je opísané vyššie.
Elektrická sila na nábojqkvôli poľuEje daný:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Magnetická sila pri nabíjaníqpohybujúci sa rýchlosťouvkvôli poľuBje dané Lorentzovým silovým zákonom:
vec {F} = q \ vec {v} \ časy \ vec {B}
Ďalšia formulácia tohto vzťahu je:
vec {F} = \ vec {I} L \ krát \ vec {B}
KdeJaje súčasný aĽdĺžka drôtu alebo vodivej cesty v poli.
Okrem mnohých podobností medzi magnetickou a elektrickou silou existujú aj niektoré zreteľné rozdiely. Upozorňujeme, že magnetická sila nebude mať vplyv na stacionárny náboj (ak v = 0, potom F = 0) alebo na náboj pohybujúci sa rovnobežne so smerom poľa (výsledkom ktorého je krížový súčin 0), a v skutočnosti sa miera, na ktorú pôsobí magnetická sila, líši od uhla medzi rýchlosťou a lúka.
Vzťah medzi elektrinou a magnetizmom
James Clerk Maxwell odvodil súbor štyroch rovníc, ktoré matematicky sumarizujú vzťah medzi elektrinou a magnetizmom. Ide o tieto rovnice:
\ triangledown \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ čiastočné \ vec {B}} {\ čiastočné t} \\ \ text {} \\ \ triangledown \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ čiastočné \ vec {E}} {\ čiastočné t}
Všetky tieto javy, o ktorých sa hovorilo predtým, je možné opísať týmito štyrmi rovnicami. Ale ešte zaujímavejšie je, že po ich odvodení sa našlo riešenie týchto rovníc, ktoré sa nezdalo byť v súlade s tým, čo bolo známe doteraz. Toto riešenie popisovalo samorozširujúce sa elektromagnetické vlnenie. Ale keď bola odvodená rýchlosť tejto vlny, bolo stanovené, že je:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299 792 485 m / s
To je rýchlosť svetla!
Aký to má význam? Ukázalo sa, že svetlo, fenomén, ktorý vedci skúmali už nejaký čas, bol vlastne elektromagnetickým javom. Preto sa dnes označuje akoelektromagnetická radiácia.
•••Dreamstime
