Kakšne so 3 podobnosti med magneti in elektriko?

Električne in magnetne sile so dve sili, ki jih najdemo v naravi. Čeprav se na prvi pogled zdita različna, oba izvirata s polj, povezanih z nabitimi delci. Obe sili imata tri glavne podobnosti, zato bi morali izvedeti več o tem, kako nastajajo ti pojavi.

Dajatve so v pozitivnih (+) in negativnih (-) sortah. Temeljni nosilec pozitivnega naboja je proton, nosilec negativnega naboja pa je elektron. Oba imata naboj velikosti e = 1,602 × 10^-19 Kuloni.

Nasprotja se privlačijo, všečki pa jih odbijajo; dva pozitivna naboja, nameščena drug ob drugem, bostaodbijatiali doživijo silo, ki jih potisne narazen. Enako velja za dva negativna naboja. Pozitivni in negativni naboj pa boprivabitidrug drugega.

Privlačnost med pozitivnimi in negativnimi naboji je tisto, zaradi česar je večina predmetov električno nevtralna. Ker je v vesolju enako število pozitivnih kot negativnih nabojev in privlačne in odbojne sile delujejo tako, kot delujejo, naboji ponavadinevtralizirajoali drug drugega preklicati.

Podobno imajo magneti severni in južni pol. Dva magnetna severna pola se bosta odganjala, prav tako dva magnetna južna pola, vendar se bosta severni in južni pol privlačila.

Upoštevajte, da še en pojav, ki ga verjetno poznate, gravitacija, ni takšen. Gravitacija je privlačna sila med dvema masama. Obstaja samo ena "vrsta" mase. Ne prihaja v pozitivnih in negativnih sortah, kot sta elektrika in magnetizem. In ta ena vrsta mase je vedno privlačna in ne odbijajoča.

Razlika med magneti in naboji pa je v tem, da so magneti vedno videti kot dipol. To pomeni, da bo imel kateri koli magnet vedno severni in južni pol. Oba pola ni mogoče ločiti.

Električni dipol lahko ustvarimo tudi tako, da pozitivni in negativni naboj postavimo na majhno razdaljo, vendar je vedno mogoče te naboje znova ločiti. Če si predstavljate magnet s palicami s severnim in južnim polom in bi ga morali poskusiti prerezati na polovico, da naredite a ločite sever in jug, namesto tega bi bila rezultat dva manjša magneta, oba z lastnim severom in jugom palice.

Če primerjamo elektriko in magnetizem z drugimi silami, opazimo nekaj izrazitih razlik. Štiri temeljne sile vesolja so močne, elektromagnetne, šibke in gravitacijske sile. (Upoštevajte, da so električne in magnetne sile opisane z isto besedo - več o tem v kratkem.)

Če upoštevamo, da ima močna sila - sila, ki drži nukleone skupaj znotraj atoma - velikost 1, potem imata elektrika in magnetizem relativno velikost 1/137. Šibka sila, ki je odgovorna za razpad beta, ima relativno velikost 10^-6, gravitacijska sila pa ima relativno velikost 6 × 10^-39.

Prav ste prebrali. To ni bila tipkarska napaka. Gravitacijska sila je v primerjavi z vsem ostalim izredno slaba. To se morda zdi nerazumljivo - navsezadnje je gravitacija sila, ki ohranja planete v gibanju in drži noge na tleh! Toda razmislite, kaj se zgodi, ko sponko vzamete z magnetom ali robčkom s statično elektriko.

Sila, ki vleče en majhen magnet ali statično nabit predmet, lahko prepreči gravitacijsko silo celotne Zemlje, ki vleče sponko ali robček! O gravitaciji mislimo, da je toliko močnejša ne zato, ker je, ampak zato, ker imamo gravitacijsko silo celega sveta delujejo na nas ves čas, medtem ko so zaradi svoje binarne narave naboji in magneti pogosto razporejeni tako, da so nevtralizirano.

Če natančneje pogledamo in res primerjamo elektriko in magnetizem, vidimo, da gre na temeljni ravni za dva vidika istega pojava, imenovanegaelektromagnetizem. Preden v celoti opišemo ta pojav, si poglobimo razumevanje pojmov.

Kaj je polje? Včasih je koristno razmišljati o nečem, kar se zdi bolj znano. Gravitacija, tako kot elektrika in magnetizem, je tudi sila, ki ustvarja polje. Predstavljajte si območje vesolja okoli Zemlje.

Vsaka masa v vesolju bo začutila silo, ki je odvisna od velikosti mase in oddaljenosti od Zemlje. Torej si predstavljamo, da prostor okoli Zemlje vsebujepolje, to je vrednost, dodeljena vsaki točki v prostoru, ki nakazuje, kako razmeroma velika in v katero smer bi bila ustrezna sila. Velikost gravitacijskega polja na razdaljoriz maseM, na primer, je podan s formulo:

KjeGje univerzalna gravitacijska konstanta 6,67408 × 10^-11 m³/(kgs²). Smer, povezana s tem poljem na kateri koli točki, bi bila enotni vektor, ki kaže proti središču Zemlje.

Električna polja delujejo na enak način. Velikost električnega polja na daljavorod točkovnega nabojaqje podan s formulo:

Kjekje Coulomova konstanta 8,99 × 10⁹ Nm²/ C². Smer tega polja na kateri koli točki je proti nabojuqčeqje negativno in stran od nabojaqčeqje pozitiven.

Upoštevajte, da so ta polja v skladu z obratnim kvadratnim zakonom, tako da če se premaknete dvakrat dlje, polje postane za četrtino močnejše. Če bi našli električno polje, ki ga ustvarja več točkovnih nabojev, ali neprekinjeno porazdelitev naboja, bi preprosto našli superpozicijo ali izvedli integracijo porazdelitve.

Magnetna polja so nekoliko bolj zapletena, ker so magneti vedno v obliki dipolov. Velikost magnetnega polja je pogosto predstavljena s črkoB, natančna formula zanj pa je odvisna od situacije.

Razmerje med elektriko in magnetizmom je bilo znanstvenikom očitno šele nekaj stoletij po začetnih odkritjih vsakega. Nekateri ključni poskusi, ki raziskujejo medsebojno delovanje obeh pojavov, so na koncu pripeljali do razumevanja, ki ga imamo danes.

V zgodnjih devetdesetih letih 20. stoletja so znanstveniki prvič odkrili, da je iglo magnetnega kompasa mogoče odbiti, ko jo držimo blizu žice, ki nosi tok. Izkazalo se je, da tokovna žica ustvarja magnetno polje. To magnetno polje na daljavoriz neskončno dolge žice, ki nosi tokjazje podan s formulo:

Kjeμ​₀ je vakuumska prepustnost 4π​ × 10^-7 N / A². Smer tega polja je podana zpravilo desne roke- palec desne roke usmerite v smer toka, nato pa s prsti ovite žico v krogu, ki označuje smer magnetnega polja.

To odkritje je privedlo do nastanka elektromagnetov. Predstavljajte si, da vzamete tokovno žico in jo ovite v tuljavo. Smer nastalega magnetnega polja bo videti kot dipolno polje palicnega magneta!

•••pixabay

Magnetizem v magnetnem drogu nastane zaradi gibanja elektronov v atomih, ki ga sestavljajo. Gibljivi naboj v vsakem atomu ustvarja majhno magnetno polje. V večini materialov so ta polja vsestransko usmerjena, kar ne povzroča pomembnega mrežnega magnetizma. Toda v nekaterih materialih, kot je železo, sestava materialov omogoča, da se ta polja poravnajo.

Magnetizem je torej res manifestacija elektrike!

Izkazalo se je, da magnetizem ne izhaja samo iz električne energije, temveč lahko iz magnetizma nastane tudi elektrika. Do tega odkritja je prišel Michael Faraday. Kmalu po odkritju, da sta elektrika in magnetizem povezana, je Faraday našel način za ustvarjanje toka v tuljavi žice s spreminjanjem magnetnega polja, ki poteka skozi središče tuljave.

​Faradayev zakonnavaja, da bo tok, induciran v tuljavi, tekel v smeri, ki nasprotuje spremembi, ki jo je povzročila. S tem se misli, da bo inducirani tok tekel v smeri, ki ustvarja magnetno polje, ki nasprotuje spreminjajočemu se magnetnemu polju, ki ga je povzročilo. V bistvu inducirani tok preprosto poskuša preprečiti kakršne koli spremembe polja.

Torej, če zunanje magnetno polje kaže v tuljavo in se nato poveča, se bo tok povečal tok v takšni smeri, da ustvari magnetno polje, ki kaže iz zanke, da se temu izogne spremembe. Če je zunanje magnetno polje usmerjeno v tuljavo in se zmanjša, bo tok tekel v takšni smeri ustvariti magnetno polje, ki prav tako kaže v tuljavo, da bi preprečilo spremembo.

Faradayevo odkritje je privedlo do tehnologije, ki stoji za današnjimi generatorji električne energije. Da bi lahko proizvajali električno energijo, mora obstajati način spreminjanja magnetnega polja, ki poteka skozi žično tuljavo. Lahko si predstavljate, da obračate žično tuljavo v prisotnosti močnega magnetnega polja, da uveljavite to spremembo. To se pogosto izvaja z mehanskimi sredstvi, na primer s turbino, ki jo premika veter ali tekoča voda.

•••pixabay

Podobnosti med magnetno silo in električno silo je veliko. Obe sili delujeta po nabojih in imata svoj izvor v istem pojavu. Obe sili imata primerljivo moč, kot je opisano zgoraj.

Električna sila na nabojqzaradi poljaEpodaja:

Magnetna sila na nabojqpremikanje s hitrostjovzaradi poljaBje podan z Lorentzovim zakonom o sili:

Druga formulacija tega odnosa je:

Kjejazje trenutni inLdolžina žice ali prevodne poti na polju.

Poleg številnih podobnosti med magnetno silo in električno silo obstaja tudi nekaj izrazitih razlik. Upoštevajte, da magnetna sila ne bo vplivala na stacionarni naboj (če je v = 0, potem F = 0) ali naboj, ki se premika vzporedno s smerjo polja (kar ima za posledico 0 navzkrižni produkt), dejansko pa se stopnja delovanja magnetne sile spreminja glede na kot med hitrostjo in polje.

James Clerk Maxwell je izpeljal niz štirih enačb, ki matematično povzemajo razmerje med elektriko in magnetizmom. Te enačbe so naslednje:

Vse prej omenjene pojave lahko opišemo s temi štirimi enačbami. Še bolj zanimivo pa je, da je bila po njihovi izpeljavi najdena rešitev za te enačbe, ki se ni zdela skladna s prej znanim. Ta rešitev je opisala samorazmnoževalni elektromagnetni val. Toda ko je bila izpeljana hitrost tega vala, je bilo ugotovljeno, da je:

To je svetlobna hitrost!

Kakšen je pomen tega? No, izkazalo se je, da je bila svetloba, pojav, ki so ga znanstveniki že nekaj časa raziskovali lastnosti, pravzaprav elektromagnetni pojav. Zato ga danes vidite kotelektromagnetno sevanje​.

•••pixabay