Vad är 3 likheter mellan magneter och elektricitet?

Elektriska och magnetiska krafter är två krafter som finns i naturen. Medan de vid första anblicken kan verka olika, kommer de båda från fält associerade med laddade partiklar. De två krafterna har tre huvudsakliga likheter, och du bör lära dig mer om hur dessa fenomen uppstår.

Avgifterna finns i positiva (+) och negativa (-) sorter. Den grundläggande positiva laddningsbäraren är protonen och den negativa laddningsbäraren är elektronen. Båda har en laddning av storleken e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Motsatser lockar och gillar att avvisa; två positiva laddningar placerade nära varandra kommerslå tillbakaeller uppleva en kraft som skjuter dem isär. Detsamma gäller två negativa laddningar. En positiv och en negativ laddning kommer dock att göra detlocka till sigvarandra.

Attraktionen mellan positiva och negativa laddningar är det som tenderar att göra de flesta artiklar elektriskt neutrala. Eftersom det finns samma antal positiva som negativa laddningar i universum, och de attraktiva och avstötande krafterna verkar som de gör, tenderar laddningarna att

Magneter har på samma sätt nord- och sydpoler. Två magnetiska nordpoler stöter ut varandra liksom två magnetiska sydpoler, men en nordpol och sydpol kommer att locka varandra.

Observera att ett annat fenomen som du sannolikt är bekant med, gravitation, inte är så här. Gravitation är en attraktiv kraft mellan två massor. Det finns bara en ”typ” av massa. Det kommer inte i positiva och negativa sorter som elektricitet och magnetism gör. Och den här typen av massa är alltid attraktiv och inte motbjudande.

Det finns en tydlig skillnad mellan magneter och laddningar, dock genom att magneter alltid visas som en dipol. Det vill säga, varje given magnet kommer alltid att ha en nord- och sydpol. De två stolparna kan inte separeras.

En elektrisk dipol kan också skapas genom att placera en positiv och negativ laddning på ett litet avstånd från varandra, men det är alltid möjligt att separera dessa laddningar igen. Om du föreställer dig en stavmagnet med dess nord- och sydpoler, och du skulle försöka skära den i hälften för att göra en separera norr och söder, istället skulle resultatet bli två mindre magneter, båda med sin egen norr och söder stolpar.

Om vi ​​jämför el och magnetism med andra krafter ser vi några tydliga skillnader. De fyra grundläggande krafterna i universum är de starka, elektromagnetiska, svaga och gravitationskrafterna. (Observera att elektriska och magnetiska krafter beskrivs med samma ord - mer om detta lite.)

Om vi ​​anser att den starka kraften - kraften som håller nukleonerna i en atom - har en magnitud 1, har elektricitet och magnetism en relativ magnitud av 1/137. Den svaga kraften - som är ansvarig för betaförfall - har en relativ storlek på 10^-6och gravitationskraften har en relativ storlek på 6 × 10^-39.

Du läste rätt. Det var inte ett stavfel. Gravitationskraften är extremt snygg jämfört med allt annat. Detta kan verka kontraintuitivt - trots allt är tyngdkraften den kraft som håller planeterna i rörelse och håller våra fötter på marken! Men tänk på vad som händer när du plockar upp en gem med en magnet eller en vävnad med statisk elektricitet.

Kraften som drar upp den lilla magneten eller det statiskt laddade föremålet kan motverka gravitationskraften för hela jorden som drar på gemet eller vävnaden! Vi tänker på tyngdkraften som att vara så mycket kraftfullare inte för att den är, utan för att vi har gravitationskraften i ett helt jordklot. agerar på oss hela tiden medan laddningar och magneter ofta på grund av sin binära natur ordnar sig så att de är neutraliseras.

Om vi ​​tittar närmare och verkligen jämför el och magnetism ser vi att de på grundläggande nivå är två aspekter av samma fenomen som kallaselektromagnetism. Innan vi fullständigt beskriver detta fenomen, kan vi få en djupare förståelse av de inblandade begreppen.

Vad är ett fält? Ibland är det bra att tänka på något som verkar mer bekant. Gravitation, liksom elektricitet och magnetism, är också en kraft som skapar ett fält. Föreställ dig rymdområdet runt jorden.

Varje given massa i rymden kommer att känna en kraft som beror på storleken på massan och dess avstånd från jorden. Så vi föreställer oss att rymden runt jorden innehåller enfält, det vill säga ett värde som tilldelas varje punkt i rymden som ger viss indikation på hur relativt stor och i vilken riktning en motsvarande kraft skulle vara. Gravitationsfältets storlek ett avståndrfrån massaM, till exempel, ges med formeln:

VarGär den universella gravitationskonstanten 6,67408 × 10^-11 m³/(kgs²). Riktningen associerad med detta fält vid en viss punkt skulle vara en enhetsvektor som pekar mot jordens centrum.

Elektriska fält fungerar på samma sätt. Storleken på det elektriska fältet ett avståndrfrån punktavgiftqges med formeln:

Varkär Coulomb-konstanten 8,99 × 10⁹ Nm²/ C². Riktningen för detta fält vid en viss punkt är mot laddningenqomqär negativ och borta från laddningqomqär positivt.

Observera att dessa fält följer en invers kvadratisk lag, så om du rör dig dubbelt så långt bort blir fältet en fjärdedel så stark. För att hitta det elektriska fältet som genereras av flera punktladdningar, eller en kontinuerlig laddningsfördelning, skulle vi helt enkelt hitta superpositionen eller utföra en integration av fördelningen.

Magnetfält är lite knepigare eftersom magneter alltid kommer som dipoler. Magnetfältets storlek representeras ofta av bokstavenB, och den exakta formeln för det beror på situationen.

Förhållandet mellan elektricitet och magnetism var inte uppenbart för forskare förrän flera århundraden efter de första upptäckterna av var och en. Några viktiga experiment som undersökte samspelet mellan de två fenomenen ledde så småningom till den förståelse vi har idag.

I början av 1800-talet upptäckte forskare först att en magnetisk kompassnål kunde böjas när den hölls nära en tråd som bär ström. Det visar sig att en strömtråd skapar ett magnetfält. Detta magnetfält ett avståndrfrån en oändligt lång ledningsströmJagges med formeln:

Varμ​₀ är vakuumpermeabiliteten 4π​ × 10^-7 Ej tillämpligt². Riktningen för detta fält ges avhögerhandregel- peka tummen på din högra hand i strömriktningen och linda sedan fingrarna runt tråden i en cirkel som indikerar magnetfältets riktning.

Denna upptäckt ledde till skapandet av elektromagneter. Tänk dig att du tar en strömtråd och slår in den i en spole. Riktningen för det resulterande magnetfältet kommer att se ut som dipolfältet för en stavmagnet!

•••Pixabay

Magnetism i en stavmagnet genereras av elektronernas rörelse i atomerna som utgör den. Den rörliga laddningen i varje atom skapar ett litet magnetfält. I de flesta material är dessa fält orienterade på vilket sätt som helst, vilket resulterar i ingen signifikant nettomagnetism. Men i vissa material, såsom järn, möjliggör materialkompositionen att dessa fält kan anpassas.

Så magnetism är verkligen en manifestation av elektricitet!

Det visar sig att magnetism inte bara härrör från elektricitet, utan att elektricitet kan genereras från magnetism. Denna upptäckt gjordes av Michael Faraday. Strax efter upptäckten att elektricitet och magnetism var relaterade hittade Faraday ett sätt att generera ström i en trådspole genom att variera magnetfältet som passerar genom spolens centrum.

​Faradays lagsäger att strömmen som induceras i en spole kommer att strömma i en riktning som motsätter sig den förändring som orsakade den. Vad som menas med detta är att den inducerade strömmen kommer att strömma i en riktning som genererar ett magnetfält som motsätter sig det förändrade magnetfältet som orsakade det. I huvudsak försöker den inducerade strömmen helt enkelt att motverka eventuella fältförändringar.

Så om det yttre magnetfältet pekar in i spolen och sedan ökar i storlek kommer strömmen att göra det flöda i en sådan riktning för att skapa ett magnetfält som pekar ut ur slingan för att motverka detta förändra. Om det yttre magnetfältet pekar in i spolen och minskar i storlek, kommer strömmen att strömma i en sådan riktning för att skapa ett magnetfält som också pekar in i spolen för att motverka förändringen.

Faradays upptäckt ledde till tekniken bakom dagens kraftgeneratorer. För att generera elektricitet måste det finnas ett sätt att variera magnetfältet som passerar genom en trådspole. Du kan tänka dig att vrida en trådspole i närvaro av ett starkt magnetfält för att genomföra denna förändring. Detta görs ofta på mekaniska sätt, såsom att en turbin flyttas av vind eller rinnande vatten.

•••Pixabay

Likheterna mellan magnetisk kraft och elektrisk kraft är många. Båda krafterna agerar på laddningar och har sitt ursprung i samma fenomen. Båda krafterna har jämförbara styrkor, såsom beskrivits ovan.

Elektrisk kraft på laddningqpå grund av fältEges av:

Den magnetiska kraften på laddningqrör sig med hastighetvpå grund av fältBanges i Lorentz-kraftlagen:

En annan formulering av detta förhållande är:

VarJagär nuvarande ochLlängden på ledningen eller den ledande vägen i fältet.

Förutom de många likheterna mellan magnetisk kraft och elektrisk kraft finns det också några tydliga skillnader. Observera att magnetkraften inte påverkar en stationär laddning (om v = 0, då F = 0) eller en laddning som rör sig parallellt med fältets riktning (vilket resulterar i en 0-tvärprodukt), och i själva verket varierar den magnetiska kraftens verkan med vinkeln mellan hastigheten och fält.

James Clerk Maxwell härledde en uppsättning av fyra ekvationer som sammanfattar förhållandet mellan elektricitet och magnetism matematiskt. Dessa ekvationer är som följer:

Alla fenomen som diskuterats tidigare kan beskrivas med dessa fyra ekvationer. Men ännu mer intressant är att efter deras härledning hittades en lösning på dessa ekvationer som inte verkade överensstämma med vad som tidigare var känt. Denna lösning beskrev en självförökande elektromagnetisk våg. Men när hastigheten på denna våg härleddes bestämdes den att vara:

Detta är ljusets hastighet!

Vilken betydelse har detta? Tja, det visar sig att ljus, ett fenomen som forskare hade undersökt egenskaperna under ganska lång tid, faktiskt var ett elektromagnetiskt fenomen. Det är därför du idag ser att det kallaselektromagnetisk strålning​.

•••Pixabay