Vad är elektromagnetisk kraft?

Hela komplexiteten i universumet omkring oss kommer till slut från fyra grundläggande krafter: gravitation, den starka kärnkraften, den svaga kärnkraften och elektromagnetism. Elektromagnetism kan vara ett utmanande ämne att studera, men grunderna i vad kraften är och hur den fungerar är ganska enkelt, och Lorentz-kraftlagen i synnerhet berättar för dig vilka nyckelpunkter du behöver förstå. I ett nötskal orsakar den elektromagnetiska kraften till skillnad från laddningar - positiva och negativa - att attrahera varandra och till skillnad från laddningar att avvisa.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Elektromagnetism är en av de fyra grundläggande krafterna i universum. Den beskriver hur laddade partiklar reagerar på elektriska och magnetiska fält, liksom de grundläggande kopplingarna mellan dem. Elektromagnetisk kraft mäts, som alla krafter, i Newton.

Elektrostatiska krafter beskrivs av Coulombs lag, och både elektriska och magnetiska krafter täcks av Lorentz-kraftlagen. Maxwells fyra ekvationer ger dock den mest detaljerade beskrivningen av elektromagnetism.

Termen elektromagnetism kombinerar de elektriska och magnetiska krafterna till ett enda ord eftersom båda krafterna beror på samma underliggande fenomen. "Laddade" partiklar genererar elektriska fält, och positiva och negativa laddningar reagerar på det fältet olika, vilket förklarar den kraft vi observerar. För elektriska interaktioner skjuter positivt laddade partiklar (som protoner) bort positivt laddade partiklar och lockar negativt laddade (som elektroner) och vice versa. Elektriska fältlinjer sprids direkt utåt från positiva elektriska laddningar, och detta skjuter partiklar i riktning mot - eller i motsatt riktning mot - fältlinjerna.

Magnetism kommer från magnetfält som genereras av rörliga laddningar. Partiklar svarar inte på magnetfält på samma sätt som de gör på elektriska fält. Magnetfältlinjer bildar cirklar, utan början eller slut. Som svar på dem rör sig partiklar i en riktning vinkelrät mot både deras rörelse och fältlinjen. Som med elektriska krafter rör sig positivt laddade partiklar och negativt laddade i motsatta riktningar.

Den elektromagnetiska kraften är den näst starkaste kraften i naturen. Den starka kärnkraften är den starkaste, de elektromagnetiska krafterna är 137 gånger mindre kraftfulla svag kärnkraft är en miljon gånger mindre, och tyngdkraften är mycket, mycket mindre än resten (cirka 6 × 10⁻³⁹ gånger svagare än den starka kärnkraftsstyrkan).

"Elektrostatisk kraft" avser den elektriska kraft som genereras av stationära laddningar. Den beskrivs av en enkel ekvation som kallas Coulombs lag. Detta säger att:

Här,Fbetyder kraft,kär en konstant,q​₁ ochq​₂ är avgifterna, ochrär avståndet mellan dem. Större laddningar ger en större kraft och mer separation försvagar styrkan. Som med alla krafter mäts elektromagnetisk kraft i Newton (N). Konstantenkhar ett specifikt värde, 9 × 10⁹ N m² / C². Laddning mäts i coulomb (C), och du matar in laddningstecknet (+ eller -) tillsammans med styrkan, så ekvationen har ett positivt värde för avstötning och ett negativt för attraktion.

Lorentz-kraftlagen innehåller både magnetiska och elektriska krafter, så det är en av de bästa representationerna av den elektromagnetiska kraften. Lagen säger:

Var​E​är magnetfältet,​v​är partikelns hastighet, och​B​är magnetfältet. Dessa är fetstil eftersom de är vektorer, som har en riktning såväl som en styrka, och×​ symbolen är en vektorprodukt snarare än en enkel multiplikation. Ekvationen berättar att den totala kraften är summan av det elektriska fältet och vektorprodukten för partikelns och magnetfältets hastighet, allt multiplicerat med partikelns laddning. Vektorprodukten producerar en kraft i en riktning vinkelrätt mot båda, i linje med föregående avsnitt.

Elektromagnetism visar sig i många former i det dagliga livet och fysiken. Atomer hålls samman av den elektromagnetiska attraktionen mellan protonerna i kärnan och elektronerna som kretsar kring den. Ljus är en elektromagnetisk våg, där ett oscillerande elektriskt fält genererar ett magnetfält som förändras, vilket i sin tur skapar ett elektriskt fält, och så vidare. Detta förutses av Maxwells ekvationer (fyra ekvationer som förklarar allt om elektromagnetism på språket för vektorkalkyl), inklusive den karakteristiska hastighet med vilken den färdas.

Elektromagnetism är också ansvarig för den el som driver din skärm och enheten du läser på, med strömmen av elektroner som drivs längs elektriska fältlinjer som ger energi. Dessa exempel repar bara ytan på det breda spektrum av fenomen som förklaras av elektromagnetism.