อะไรคือความคล้ายคลึงกัน 3 ประการระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า?

แรงไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นสองแรงที่พบในธรรมชาติ แม้ว่าในแวบแรกพวกมันอาจดูแตกต่าง แต่ทั้งคู่มาจากฟิลด์ที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคที่มีประจุ แรงทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันหลักสามประการ และคุณควรเรียนรู้เพิ่มเติมว่าปรากฏการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร

ประจุมีทั้งแบบบวก (+) และค่าลบ (-) ตัวพาประจุบวกพื้นฐานคือโปรตอนและตัวพาประจุลบคืออิเล็กตรอน ทั้งสองมีประจุขนาด e = 1.602 × 10^-19 คูลอมบ์.

สิ่งที่ตรงกันข้ามดึงดูดและชอบขับไล่ ประจุบวกสองประจุวางใกล้กันจะขับไล่หรือสัมผัสกับพลังที่ผลักพวกเขาออกจากกัน เช่นเดียวกับประจุลบสองประจุ อย่างไรก็ตามประจุบวกและประจุลบจะดึงดูดซึ่งกันและกัน

แรงดึงดูดระหว่างประจุบวกและประจุลบคือสิ่งที่มีแนวโน้มจะทำให้รายการส่วนใหญ่เป็นกลางทางไฟฟ้า เนื่องจากมีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบในจักรวาล และแรงดึงดูดและแรงผลักกลับกระทำการตามแบบที่พวกมันทำ ประจุจึงมีแนวโน้มที่จะทำให้เป็นกลางหรือยกเลิกกันออกไป

แม่เหล็กก็มีขั้วเหนือและขั้วใต้เช่นเดียวกัน ขั้วแม่เหล็กเหนือสองขั้วจะผลักกันเช่นเดียวกับขั้วใต้แม่เหล็กสองขั้ว แต่ขั้วเหนือและขั้วใต้จะดึงดูดกัน

สังเกตว่าปรากฏการณ์อื่นที่คุณน่าจะคุ้นเคยคือแรงโน้มถ่วงไม่ใช่แบบนี้ แรงโน้มถ่วงเป็นแรงดึงดูดระหว่างมวลทั้งสอง มี "ประเภท" เดียวเท่านั้น มันไม่ได้มาในรูปแบบบวกและลบเช่นไฟฟ้าและแม่เหล็ก และมวลประเภทนี้มีเสน่ห์ดึงดูดและไม่น่ารังเกียจเสมอไป

แม่เหล็กกับประจุมีความแตกต่างกันอย่างชัดเจน อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กนั้นมักจะปรากฏเป็นไดโพลเสมอ นั่นคือ แม่เหล็กใดๆ ก็ตามจะมีขั้วเหนือและใต้เสมอ สองขั้วไม่สามารถแยกออกจากกันได้

ไดโพลไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นได้โดยการวางประจุบวกและประจุลบที่ระยะห่างเล็กน้อย แต่สามารถแยกประจุเหล่านี้ออกได้อีกครั้งเสมอ หากคุณนึกภาพแท่งแม่เหล็กที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้ของมัน และคุณต้องพยายามผ่าครึ่งเพื่อสร้าง เหนือและใต้แยกจากกัน แต่ผลลัพธ์จะเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กสองตัวแทน ทั้งที่มีทิศเหนือและทิศใต้ของพวกมันเอง เสา

หากเราเปรียบเทียบไฟฟ้าและแม่เหล็กกับแรงอื่น เราจะเห็นความแตกต่างที่ชัดเจนบางประการ แรงพื้นฐานทั้งสี่ของจักรวาลคือแรง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงอ่อน และแรงโน้มถ่วง (โปรดทราบว่าแรงไฟฟ้าและแม่เหล็กอธิบายด้วยคำเดียว - เพิ่มเติมในเรื่องนี้เล็กน้อย)

หากเราพิจารณาว่าแรงจัด ซึ่งเป็นแรงที่ยึดนิวคลีออนไว้ด้วยกันภายในอะตอม จะมีขนาดเท่ากับ 1 แสดงว่าไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะมีขนาดสัมพัทธ์เท่ากับ 1/137 แรงอ่อน - ซึ่งรับผิดชอบการสลายตัวของเบต้า - มีขนาดสัมพัทธ์10^-6และแรงโน้มถ่วงมีขนาดสัมพัทธ์เท่ากับ 6 × 10^-39.

คุณอ่านถูกต้องแล้ว มันไม่ใช่การพิมพ์ผิด แรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนมากเมื่อเทียบกับอย่างอื่น นี่อาจดูเหมือนขัดกับสัญชาตญาณ ท้ายที่สุดแล้ว แรงโน้มถ่วงคือแรงที่ทำให้ดาวเคราะห์เคลื่อนที่และทำให้เท้าของเราอยู่บนพื้น! แต่ให้พิจารณาว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณหยิบคลิปหนีบกระดาษที่มีแม่เหล็กหรือกระดาษทิชชู่ที่มีไฟฟ้าสถิต

แรงที่ดึงแม่เหล็กเล็กๆ หนึ่งตัวหรือสิ่งของที่มีประจุไฟฟ้าสถิตสามารถต้านแรงโน้มถ่วงของโลกทั้งใบที่ดึงคลิปหนีบกระดาษหรือเนื้อเยื่อ! เราคิดว่าแรงโน้มถ่วงมีพลังมากกว่าไม่ใช่เพราะมัน แต่เพราะเรามีแรงโน้มถ่วงของโลกทั้งใบ กระทำกับเราตลอดเวลาในขณะที่เนื่องจากลักษณะเลขฐานสองของประจุและแม่เหล็กมักจะจัดเรียงตัวเพื่อให้เป็น ทำให้เป็นกลาง

หากพิจารณาให้ละเอียดยิ่งขึ้นและเปรียบเทียบระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็กจริง ๆ เราจะเห็นว่าในระดับพื้นฐาน ทั้งสองเป็นปรากฏการณ์เดียวกันที่เรียกว่าแม่เหล็กไฟฟ้า. ก่อนที่เราจะอธิบายปรากฏการณ์นี้อย่างเต็มที่ เรามาทำความเข้าใจแนวคิดที่เกี่ยวข้องให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเสียก่อน

สนามคืออะไร? บางครั้งการนึกถึงบางสิ่งที่ดูคุ้นเคยอาจช่วยได้ แรงโน้มถ่วงเช่นเดียวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กก็เป็นแรงที่สร้างสนามเช่นกัน ลองนึกภาพพื้นที่ของอวกาศรอบโลก

มวลใดๆ ในอวกาศจะรู้สึกถึงแรงที่ขึ้นอยู่กับขนาดของมวลและระยะห่างจากโลก ดังนั้นเราจึงจินตนาการว่าพื้นที่รอบโลกประกอบด้วย aสนามนั่นคือ ค่าที่กำหนดให้กับแต่ละจุดในอวกาศซึ่งบ่งชี้ว่าขนาดค่อนข้างใหญ่ และแรงที่สอดคล้องกันจะเป็นไปในทิศทางใด ขนาดของสนามโน้มถ่วงระยะทาง arจากมวลเอ็มตัวอย่างเช่น กำหนดโดยสูตร:

ที่ไหนGเป็นค่าคงตัวโน้มถ่วงสากล 6.67408 × 10^-11 ม³/(kgs²). ทิศทางที่เกี่ยวข้องกับสนามนี้ ณ จุดใดก็ตามจะเป็นเวกเตอร์หน่วยที่ชี้ไปยังจุดศูนย์กลางของโลก

สนามไฟฟ้าทำงานในลักษณะเดียวกัน ขนาดของสนามไฟฟ้า ระยะทางrจากจุดชาร์จqถูกกำหนดโดยสูตร:

ที่ไหนkคือค่าคงที่คูลอมบ์ 8.99 × 10⁹ นม²/ค². ทิศทางของสนามนี้ ณ จุดใดก็ตามจะมุ่งสู่ประจุqถ้าqเป็นลบและอยู่ห่างจากประจุqถ้าqเป็นบวก

โปรดทราบว่าเขตข้อมูลเหล่านี้เป็นไปตามกฎกำลังสองผกผัน ดังนั้นหากคุณเคลื่อนห่างออกไปสองเท่า สนามจะแข็งแกร่งขึ้นหนึ่งในสี่ ในการหาสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุหลายจุด หรือการแจกแจงประจุแบบต่อเนื่อง เราจะหาการซ้อนหรือรวมการแจกแจง

สนามแม่เหล็กนั้นยากกว่าเล็กน้อยเพราะแม่เหล็กมักจะมาเป็นไดโพลเสมอ ขนาดของสนามแม่เหล็กมักจะแทนด้วยตัวอักษรบีและสูตรที่แน่นอนขึ้นอยู่กับสถานการณ์

นักวิทยาศาสตร์ไม่เห็นความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็กจนกระทั่งหลายศตวรรษหลังจากการค้นพบครั้งแรกของแต่ละคน การทดลองสำคัญบางอย่างที่สำรวจปฏิสัมพันธ์ระหว่างปรากฏการณ์ทั้งสองในที่สุดก็นำไปสู่ความเข้าใจที่เรามีในปัจจุบัน

ในช่วงต้นปี 1800 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบครั้งแรกว่าเข็มเข็มทิศแม่เหล็กสามารถหักเหได้เมื่อจับไว้ใกล้กับสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้า ปรากฎว่าลวดตัวนำกระแสสร้างสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กนี้เป็นระยะทางrจากกระแสไฟฟ้าที่ยาวเป็นอนันต์ผมถูกกำหนดโดยสูตร:

ที่ไหนμ​₀ คือการซึมผ่านของสุญญากาศ 4π​ × 10^-7 ไม่มี². ทิศทางของสนามนี้ถูกกำหนดโดยกฎมือขวา– ชี้นิ้วโป้งของมือขวาไปในทิศทางของกระแส จากนั้นนิ้วของคุณพันรอบลวดเป็นวงกลมเพื่อระบุทิศทางของสนามแม่เหล็ก

การค้นพบนี้นำไปสู่การสร้างแม่เหล็กไฟฟ้า ลองนึกภาพเอาสายสะพายปัจจุบันมาพันเป็นขดลวด ทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะดูเหมือนสนามไดโพลของแท่งแม่เหล็ก!

•••pixabay

แม่เหล็กในแท่งแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมที่ประกอบเป็นมัน ประจุเคลื่อนที่ในแต่ละอะตอมจะสร้างสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก ในวัสดุส่วนใหญ่ สนามเหล่านี้ถูกปรับทิศทางไปทุกทิศทาง ส่งผลให้ไม่มีสนามแม่เหล็กสุทธิที่มีนัยสำคัญ แต่ในวัสดุบางชนิด เช่น เหล็ก องค์ประกอบของวัสดุช่วยให้เขตข้อมูลเหล่านี้ทั้งหมดอยู่ในแนวเดียวกัน

ดังนั้นแม่เหล็กจึงเป็นปรากฏการณ์ของกระแสไฟฟ้าจริงๆ!

ปรากฎว่าแม่เหล็กไม่เพียงเกิดจากไฟฟ้าเท่านั้น แต่ไฟฟ้าสามารถสร้างขึ้นจากสนามแม่เหล็กได้ การค้นพบนี้เกิดขึ้นโดย Michael Faraday ไม่นานหลังจากการค้นพบว่าไฟฟ้าและแม่เหล็กสัมพันธ์กัน ฟาราเดย์พบวิธีสร้างกระแสในขดลวดโดยเปลี่ยนสนามแม่เหล็กที่ไหลผ่านจุดศูนย์กลางของขดลวด

​กฎของฟาราเดย์ระบุว่ากระแสเหนี่ยวนำในขดลวดจะไหลไปในทิศทางที่ตรงข้ามกับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น สิ่งนี้มีความหมายว่ากระแสเหนี่ยวนำจะไหลไปในทิศทางที่สร้างสนามแม่เหล็กที่ต่อต้านสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงซึ่งเป็นสาเหตุ โดยพื้นฐานแล้ว กระแสเหนี่ยวนำเป็นเพียงการพยายามต่อต้านการเปลี่ยนแปลงใดๆ ของสนาม

ดังนั้น ถ้าสนามแม่เหล็กภายนอกชี้ไปที่ขดลวดแล้วเพิ่มขนาดขึ้น กระแสจะ ไหลไปในทิศทางดังกล่าวเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่ชี้ออกจากวงเพื่อต่อต้านสิ่งนี้ เปลี่ยน หากสนามแม่เหล็กภายนอกชี้ไปที่ขดลวดและมีขนาดลดลง กระแสก็จะไหล ในทิศทางดังกล่าวเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่ชี้เข้าไปในขดลวดเพื่อต่อต้านการเปลี่ยนแปลง

การค้นพบของฟาราเดย์นำไปสู่เทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในปัจจุบัน เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า จะต้องมีวิธีการแปรผันของสนามแม่เหล็กที่ผ่านขดลวด คุณสามารถจินตนาการถึงการหมุนขดลวดในที่ที่มีสนามแม่เหล็กแรงสูงเพื่อบังคับใช้การเปลี่ยนแปลงนี้ ซึ่งมักใช้วิธีการทางกล เช่น กังหันเคลื่อนที่โดยลมหรือน้ำไหล

•••pixabay

ความคล้ายคลึงกันระหว่างแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้ามีมากมาย กองกำลังทั้งสองกระทำการประจุและมีต้นกำเนิดในปรากฏการณ์เดียวกัน กองกำลังทั้งสองมีจุดแข็งที่เทียบเคียงได้ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น

แรงไฟฟ้าในการชาร์จqเนื่องจากสนามอีมอบให้โดย:

แรงแม่เหล็กที่ประจุqเคลื่อนที่ด้วยความเร็ววีเนื่องจากสนามบีกำหนดโดยกฎแรงลอเรนซ์:

อีกรูปแบบหนึ่งของความสัมพันธ์นี้คือ:

ที่ไหนผมเป็นกระแสและหลี่ความยาวของเส้นลวดหรือเส้นทางนำไฟฟ้าในสนาม

นอกเหนือจากความคล้ายคลึงกันมากมายระหว่างแรงแม่เหล็กและแรงไฟฟ้าแล้ว ยังมีความแตกต่างที่ชัดเจนบางประการ โปรดทราบว่าแรงแม่เหล็กจะไม่ส่งผลต่อประจุที่อยู่กับที่ (ถ้า v = 0 แล้ว F = 0) หรือประจุเคลื่อนที่ขนานกับทิศทางของสนาม (ซึ่งส่งผลให้เกิดผลคูณ 0) และอันที่จริงระดับที่แรงแม่เหล็กกระทำนั้นแปรผันตามมุมระหว่างความเร็วกับ สนาม

James Clerk Maxwell ได้ชุดสมการสี่สมการที่สรุปความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแม่เหล็กทางคณิตศาสตร์ สมการเหล่านี้มีดังนี้:

ปรากฏการณ์ทั้งหมดที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้สามารถอธิบายได้ด้วยสมการทั้งสี่นี้ แต่ที่น่าสนใจกว่านั้นคือหลังจากการกำเนิดของพวกมันแล้ว พบว่าคำตอบของสมการเหล่านี้ดูไม่สอดคล้องกับสิ่งที่เคยรู้มาก่อน วิธีแก้ปัญหานี้อธิบายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในตัวเอง แต่เมื่อได้ความเร็วของคลื่นนี้แล้ว ก็ถูกกำหนดให้เป็น:

นี่คือความเร็วแสง!

ความสำคัญของสิ่งนี้คืออะไร? ปรากฎว่าแสง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจคุณสมบัติของมันมาระยะหนึ่งแล้ว แท้จริงแล้วเป็นปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า นี่คือเหตุผลที่วันนี้คุณเห็นมันถูกเรียกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า​.

•••pixabay