แรงแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร?

ความซับซ้อนทั้งหมดของจักรวาลรอบๆ ตัวเรานั้นมาจากแรงพื้นฐานสี่อย่าง: แรงโน้มถ่วง แรงนิวเคลียร์อย่างแรง แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ และแม่เหล็กไฟฟ้า แม่เหล็กไฟฟ้าอาจเป็นหัวข้อที่ท้าทายในการศึกษา แต่พื้นฐานของแรงคืออะไรและทำงานอย่างไร ค่อนข้างตรงไปตรงมา และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง กฎแรงลอเรนซ์ จะบอกคุณถึงประเด็นสำคัญที่คุณต้องทำ เข้าใจ. โดยสรุป แรงแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เกิดการดึงดูดกันซึ่งต่างจากประจุ – บวกและลบ – และไม่เหมือนกับประจุที่จะขับไล่

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

แม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหนึ่งในสี่กองกำลังพื้นฐานในจักรวาล มันอธิบายว่าอนุภาคที่มีประจุทำปฏิกิริยากับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กอย่างไร เช่นเดียวกับการเชื่อมโยงพื้นฐานระหว่างพวกมัน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับแรงทั้งหมดวัดเป็นนิวตัน

แรงไฟฟ้าสถิตอธิบายโดยกฎของคูลอมบ์ และทั้งแรงไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กอยู่ภายใต้กฎแรงลอเรนทซ์ อย่างไรก็ตาม สมการทั้งสี่ของ Maxwell ให้คำอธิบายที่ละเอียดที่สุดเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า

คำว่าแม่เหล็กไฟฟ้ารวมแรงไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นคำเดียวเพราะแรงทั้งสองเกิดจากปรากฏการณ์เดียวกัน อนุภาค "มีประจุ" จะสร้างสนามไฟฟ้า และประจุบวกและประจุลบทำปฏิกิริยากับสนามนั้นแตกต่างกัน ซึ่งอธิบายแรงที่เราสังเกตได้ สำหรับปฏิกิริยาทางไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุบวก (เช่น โปรตอน) จะผลักอนุภาคที่มีประจุบวกออกไปและดึงดูดอนุภาคที่มีประจุลบ (เช่น อิเล็กตรอน) และในทางกลับกัน เส้นสนามไฟฟ้าแผ่ออกไปด้านนอกโดยตรงจากประจุไฟฟ้าบวก และสิ่งนี้จะผลักอนุภาคไปในทิศทางของ – หรือในทิศทางตรงกันข้ามกับ – เส้นสนาม

สนามแม่เหล็กมาจากสนามแม่เหล็กซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุ อนุภาคไม่ตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กในลักษณะเดียวกับที่ทำกับสนามไฟฟ้า เส้นสนามแม่เหล็กก่อตัวเป็นวงกลมโดยไม่มีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุด ในการตอบสนองต่อพวกมัน อนุภาคจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตั้งฉากกับทั้งการเคลื่อนที่และเส้นสนาม เช่นเดียวกับแรงไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุบวกและอนุภาคที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงที่แรงที่สุดเป็นอันดับสองในธรรมชาติ แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งที่สุดคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่แรงที่สุดมีพลังน้อยกว่า 137 เท่า แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอนั้นเล็กกว่าล้านเท่า และแรงโน้มถ่วงนั้นเล็กกว่าที่เหลือมาก (ประมาณ 6 × 10⁻³⁹ อ่อนแอกว่าแรงนิวเคลียร์อย่างแรง)

“แรงไฟฟ้าสถิต” หมายถึง แรงไฟฟ้าที่เกิดจากประจุคงที่ อธิบายโดยสมการง่ายๆ ที่เรียกว่ากฎของคูลอมบ์ สิ่งนี้ระบุว่า:

ที่นี่Fแปลว่า แรง,kเป็นค่าคงที่q​₁ และq​₂ เป็นค่าใช้จ่ายและrคือระยะห่างระหว่างกัน ประจุที่ใหญ่ขึ้นจะสร้างแรงที่ใหญ่กว่า และการแยกตัวที่มากขึ้นจะทำให้กำลังของแรงอ่อนลง เช่นเดียวกับแรงทั้งหมด แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะวัดเป็นนิวตัน (N) ค่าคงที่kมีค่าเฉพาะ 9 × 10⁹ ยังไม่มีข้อความ² / ค². ประจุวัดเป็นคูลอมบ์ (C) และคุณป้อนเครื่องหมายของประจุ (+ หรือ -) พร้อมกับความแรง ดังนั้นสมการจึงมีค่าบวกสำหรับการผลักและค่าลบสำหรับการดึงดูด

กฎแรงลอเรนซ์รวมทั้งแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้า ดังนั้นจึงเป็นหนึ่งในการแสดงที่ดีที่สุดของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า กฎหมายระบุว่า:

ที่ไหน​อี​คือสนามแม่เหล็ก​วี​คือความเร็วของอนุภาค และ​บี​คือสนามแม่เหล็ก สิ่งเหล่านี้เป็นตัวหนาเพราะเป็นเวกเตอร์ซึ่งมีทิศทางเช่นเดียวกับความแข็งแกร่งและ×​ สัญลักษณ์เป็นผลิตภัณฑ์เวกเตอร์มากกว่าการคูณอย่างง่าย สมการบอกเราว่าแรงทั้งหมดเป็นผลรวมของสนามไฟฟ้าและผลิตภัณฑ์เวกเตอร์ของความเร็วของอนุภาคและสนามแม่เหล็ก ทั้งหมดคูณด้วยประจุของอนุภาค ผลิตภัณฑ์เวกเตอร์สร้างแรงในทิศทางตั้งฉากกับทั้งสอง ซึ่งสอดคล้องกับส่วนก่อนหน้า

แม่เหล็กไฟฟ้าแสดงให้เห็นตัวเองในหลายรูปแบบในชีวิตประจำวันและฟิสิกส์ อะตอมถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่โคจรรอบมัน แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่สนามไฟฟ้าสั่นจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้า เป็นต้น สิ่งนี้ทำนายโดยสมการของแมกซ์เวลล์ (สมการสี่สมการที่อธิบายทุกอย่างเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าในภาษาของแคลคูลัสเวกเตอร์) รวมถึงความเร็วลักษณะเฉพาะที่เคลื่อนที่ด้วย

แม่เหล็กไฟฟ้ายังมีหน้าที่ในการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับหน้าจอและอุปกรณ์ที่คุณกำลังอ่านอยู่ ด้วยการไหลของอิเล็กตรอนที่ขับเคลื่อนไปตามเส้นสนามไฟฟ้าที่ให้พลังงาน ตัวอย่างเหล่านี้เป็นเพียงรอยขีดข่วนบนพื้นผิวของปรากฏการณ์ต่างๆ ที่อธิบายโดยแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น