Mıknatıslar ve Elektrik Arasındaki 3 Benzerlik Nedir?

Elektrik ve manyetik kuvvetler doğada bulunan iki kuvvettir. İlk bakışta farklı görünseler de, ikisi de yüklü parçacıklarla ilişkili alanlardan geliyor. İki kuvvetin üç ana benzerliği vardır ve bu fenomenlerin nasıl ortaya çıktığı hakkında daha fazla şey öğrenmelisiniz.

Yükler pozitif (+) ve negatif (-) çeşitlerde gelir. Temel pozitif yük taşıyıcı protondur ve negatif yük taşıyıcı elektrondur. Her ikisi de e = 1.602 × 10 büyüklüğünde bir yüke sahiptir.^-19 Coulomb'lar.

Zıtlar çeker ve itmeyi sever; birbirine yakın yerleştirilen iki pozitif yükpüskürtmekya da onları birbirinden uzaklaştıran bir güç deneyimleyin. Aynı şey iki negatif yük için de geçerlidir. Bununla birlikte, bir pozitif ve bir negatif yükçekmekherbiri.

Pozitif ve negatif yükler arasındaki çekim, çoğu öğeyi elektriksel olarak nötr yapma eğiliminde olan şeydir. Evrende negatif yüklerle aynı sayıda pozitif yük bulunduğundan ve çekici ve itici güçler bu şekilde hareket ettiğinden, yükleretkisiz hale getirmek, veya birbirinizi iptal edin.

Mıknatısların da benzer şekilde kuzey ve güney kutupları vardır. İki manyetik kuzey kutbu, iki manyetik güney kutbu gibi birbirini itecek, ancak bir kuzey kutbu ve güney kutbu birbirini çekecektir.

Muhtemelen aşina olduğunuz başka bir fenomenin, yerçekiminin böyle olmadığını unutmayın. Yerçekimi, iki kütle arasındaki çekici bir kuvvettir. Kütlenin tek bir “tipi” vardır. Elektrik ve manyetizma gibi pozitif ve negatif çeşitlerde gelmez. Ve bu tek tip kütle her zaman çekicidir ve itici değildir.

Mıknatıslar ve yükler arasında belirgin bir fark vardır, ancak mıknatıslar her zaman bir dipol olarak görünürler. Yani, herhangi bir mıknatısın her zaman bir kuzey ve güney kutbu olacaktır. İki kutup birbirinden ayrılamaz.

Bir pozitif ve negatif yük birbirinden küçük bir mesafeye yerleştirilerek de bir elektrik dipolü oluşturulabilir, ancak bu yükleri yeniden ayırmak her zaman mümkündür. Kuzey ve güney kutupları olan bir çubuk mıknatıs hayal ederseniz ve onu ikiye bölmek için onu kesmeye çalışırsanız. kuzeyi ve güneyi ayırın, bunun yerine sonuç, her ikisi de kendi kuzeyi ve güneyi olan iki küçük mıknatıs olacaktır. kutuplar.

Elektrik ve manyetizmayı diğer kuvvetlerle karşılaştırırsak, bazı belirgin farklılıklar görürüz. Evrenin dört temel kuvveti, güçlü, elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi kuvvetleridir. (Elektrik ve manyetik kuvvetlerin aynı tek kelimeyle tanımlandığına dikkat edin - birazdan daha fazlası.)

Bir atomun içinde nükleonları bir arada tutan kuvvetli kuvvetin 1 büyüklüğünde olduğunu düşünürsek, elektrik ve manyetizmanın göreceli büyüklüğü 1/137'dir. Beta bozunmasından sorumlu olan zayıf kuvvetin göreceli büyüklüğü 10'dur.^-6, ve yerçekimi kuvvetinin göreceli büyüklüğü 6 × 10^-39.

Bunu doğru okudun. Bu bir yazım hatası değildi. Yerçekimi kuvveti, diğer her şeye kıyasla son derece zayıftır. Bu mantıksız görünebilir - sonuçta, yerçekimi gezegenleri hareket halinde tutan ve ayaklarımızı yerde tutan güçtür! Ama statik elektriği olan bir mıknatıs veya bir kağıt mendil ile elinize aldığınızda ne olduğunu bir düşünün.

Küçük bir mıknatısı veya statik olarak yüklü bir nesneyi yukarı çeken kuvvet, tüm Dünya'nın ataç veya dokuyu çeken yerçekimi kuvvetine karşı koyabilir! Yerçekiminin çok daha güçlü olduğunu düşünüyoruz çünkü öyle değil, tüm bir kürenin yerçekimi kuvvetine sahip olduğumuz için her zaman üzerimizde hareket ederken, ikili yapıları nedeniyle yükler ve mıknatıslar genellikle kendilerini öyle bir şekilde düzenlerler ki nötralize edildi.

Daha yakından bakar ve elektrik ve manyetizmayı gerçekten karşılaştırırsak, temel düzeyde bunların aynı fenomenin iki yönü olduğunu görürüz.elektromanyetizma. Bu fenomeni tam olarak tanımlamadan önce, ilgili kavramları daha derinden anlayalım.

alan nedir? Bazen daha tanıdık gelen bir şey hakkında düşünmek faydalı olabilir. Elektrik ve manyetizma gibi yerçekimi de bir alan oluşturan bir kuvvettir. Dünyanın etrafındaki uzay bölgesini hayal edin.

Uzaydaki herhangi bir kütle, kütlesinin büyüklüğüne ve Dünya'dan uzaklığına bağlı olarak bir kuvvet hissedecektir. Bu yüzden, Dünya'nın etrafındaki uzayın biralanyani, karşılık gelen bir kuvvetin göreli olarak ne kadar büyük ve hangi yönde olacağının bir göstergesini veren, uzaydaki her bir noktaya atanan bir değerdir. Yerçekimi alanının büyüklüğü bir mesaferkütledenM, örneğin, aşağıdaki formülle verilir:

NeredeGevrensel yerçekimi sabiti 6.67408 × 10^-11 m³/(kgs²). Herhangi bir noktada bu alanla ilişkili yön, Dünya'nın merkezine doğru bakan bir birim vektör olacaktır.

Elektrik alanları da aynı şekilde çalışır. Elektrik alanın büyüklüğü bir mesafernokta yükündenqformülle verilir:

NeredekCoulomb sabiti 8.99 × 10⁹ Nm²/C². Bu alanın herhangi bir noktada yönü yüke doğrudur.qEğerqnegatif ve şarjdan uzakqEğerqolumlu.

Bu alanların ters kare yasasına uyduğuna dikkat edin, bu nedenle iki kat daha uzağa giderseniz alan dörtte biri kadar güçlü olur. Birkaç nokta yükün ürettiği elektrik alanını veya sürekli bir yük dağılımını bulmak için, basitçe süperpozisyonu buluruz veya dağılımın bir entegrasyonunu gerçekleştiririz.

Manyetik alanlar biraz daha aldatıcıdır çünkü mıknatıslar her zaman dipol olarak gelir. Manyetik alanın büyüklüğü genellikle harfle gösterilir.B, ve bunun tam formülü duruma göre değişir.

Elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki, her birinin ilk keşiflerinden birkaç yüzyıl sonrasına kadar bilim adamları tarafından açık değildi. İki fenomen arasındaki etkileşimi araştıran bazı önemli deneyler sonunda bugün sahip olduğumuz anlayışa yol açtı.

1800'lerin başında bilim adamları ilk olarak manyetik pusula iğnesinin akım taşıyan bir telin yakınında tutulduğunda sapabileceğini keşfettiler. Akım taşıyan bir telin manyetik alan oluşturduğu ortaya çıktı. Bu manyetik alan bir mesafersonsuz uzunlukta bir tel taşıma akımındanbenformülle verilir:

Neredeμ​₀ vakum geçirgenliği 4π​ × 10^-7 Yok². Bu alanın yönü,sağ el kuralı– sağ elinizin başparmağını akım yönüne doğrultun ve ardından parmaklarınız manyetik alanın yönünü gösteren bir daire içinde telin etrafına sarın.

Bu keşif elektromıknatısların yaratılmasına yol açtı. Akım taşıyan bir tel alıp bir bobine sardığınızı hayal edin. Ortaya çıkan manyetik alanın yönü, bir çubuk mıknatısın dipol alanı gibi görünecektir!

•••pixabay

Bir çubuk mıknatıstaki manyetizma, onu oluşturan atomlardaki elektronların hareketiyle üretilir. Her atomdaki hareketli yük, küçük bir manyetik alan oluşturur. Çoğu malzemede, bu alanlar her yöne yönlendirilir ve önemli bir net manyetizma ile sonuçlanmaz. Ancak demir gibi bazı malzemelerde, malzeme bileşimi bu alanların hepsinin hizalanmasına izin verir.

Yani manyetizma gerçekten elektriğin bir tezahürüdür!

Sadece manyetizmanın elektrikten kaynaklanmadığı, aynı zamanda manyetizmadan elektrik üretilebileceği ortaya çıktı. Bu keşif Michael Faraday tarafından yapılmıştır. Elektrik ve manyetizmanın ilişkili olduğunun keşfinden kısa bir süre sonra Faraday, bobinin merkezinden geçen manyetik alanı değiştirerek bir tel bobinde akım üretmenin bir yolunu buldu.

​Faraday yasasıbir bobinde indüklenen akımın, buna neden olan değişime karşı bir yönde akacağını belirtir. Bununla kastedilen, indüklenen akımın, buna neden olan değişen manyetik alana karşı çıkan bir manyetik alan oluşturan bir yönde akacağıdır. Özünde, indüklenen akım basitçe herhangi bir alan değişikliğine karşı koymaya çalışıyor.

Dolayısıyla, dış manyetik alan bobine doğru yöneliyorsa ve daha sonra büyüklüğü artarsa, akım buna karşı koymak için döngüden dışarıyı gösteren bir manyetik alan oluşturacak şekilde akış değişiklik. Dış manyetik alan bobini gösteriyorsa ve büyüklüğü azalırsa, akım akacaktır. değişime karşı koymak için bobine de işaret eden bir manyetik alan oluşturacak şekilde.

Faraday'ın keşfi, günümüzün güç jeneratörlerinin arkasındaki teknolojiye yol açtı. Elektrik üretmek için, bir tel bobinden geçen manyetik alanı değiştirmenin bir yolu olmalıdır. Bu değişikliği gerçekleştirmek için güçlü bir manyetik alanın varlığında bir tel bobini döndürmeyi hayal edebilirsiniz. Bu genellikle rüzgar veya akan su ile hareket ettirilen bir türbin gibi mekanik yollarla yapılır.

•••pixabay

Manyetik kuvvet ve elektrik kuvveti arasındaki benzerlikler çoktur. Her iki kuvvet de yükler üzerinde hareket eder ve kökenleri aynı fenomendedir. Her iki kuvvetin de yukarıda açıklandığı gibi karşılaştırılabilir güçleri vardır.

Yükteki elektrik kuvvetiqalan nedeniyleEtarafından verilir:

Yükteki manyetik kuvvetqhızla hareket etmekvalan nedeniyleBLorentz kuvvet yasası tarafından verilir:

Bu ilişkinin başka bir formülasyonu şudur:

Neredebenşu anki veLalandaki telin veya iletken yolun uzunluğu.

Manyetik kuvvet ve elektrik kuvveti arasındaki birçok benzerliğe ek olarak, bazı belirgin farklılıklar da vardır. Manyetik kuvvetin durağan bir yükü (eğer v = 0 ise F = 0 ise) veya alanın yönüne paralel hareket eden bir yükü etkilemeyeceğine dikkat edin. (0 çapraz çarpım ile sonuçlanır) ve aslında manyetik kuvvetin etki derecesi, hız ve hız arasındaki açıya göre değişir. alan.

James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi matematiksel olarak özetleyen dört denklemden oluşan bir dizi elde etti. Bu denklemler aşağıdaki gibidir:

Daha önce tartışılan tüm fenomenler bu dört denklemle tanımlanabilir. Ancak daha da ilginç olanı, türetilmesinden sonra, bu denklemlere daha önce bilinenlerle tutarlı görünmeyen bir çözüm bulunmasıdır. Bu çözüm, kendi kendine yayılan bir elektromanyetik dalgayı tanımladı. Ancak bu dalganın hızı türetildiğinde, şu şekilde belirlendi:

Bu ışık hızı!

Bunun önemi nedir? Bilim adamlarının bir süredir özelliklerini araştırdıkları bir fenomen olan ışığın aslında elektromanyetik bir fenomen olduğu ortaya çıktı. Bu yüzden bugün olarak anıldığını görüyorsunuz.Elektromanyetik radyasyon​.

•••pixabay