Електричні та магнітні сили - це дві сили, знайдені в природі. Хоча на перший погляд вони можуть здатися різними, вони обидва походять із полів, пов'язаних із зарядженими частинками. Ці дві сили мають три основні подібності, і вам слід дізнатись більше про те, як виникають ці явища.
1 - Вони приходять у двох протилежних різновидах
Збори мають позитивні (+) та негативні (-) різновиди. Основним носієм позитивного заряду є протон, а негативним носієм - електрон. В обох є заряд величини e = 1,602 × 10-19 Кулони.
Протилежності приваблюють, а лайки відштовхують; два позитивні заряди, розміщені поруч один з одним, будутьвідбивати, або відчути силу, яка розсовує їх. Те саме стосується двох негативних зарядів. Однак позитивний і негативний заряд будезалучитиодин одного.
Тяжіння між позитивними та негативними зарядами є тим, що робить більшість предметів електрично нейтральними. Оскільки у Всесвіті існує така ж кількість позитивних, як і негативних зарядів, а сили привабливості та відштовхування діють так, як вони діють, заряди, як правило,нейтралізувати, або скасувати один одного.
Магніти, так само, мають північний і південний полюси. Два магнітні північні полюси будуть відштовхувати один одного, як і два магнітні південні полюси, але північний полюс і південний полюс будуть притягувати один одного.
Зауважте, що інше явище, яке вам, мабуть, знайоме, гравітація, не таке. Сила тяжіння - сила притягання між двома масами. Існує лише один “тип” маси. Це не буває позитивних і негативних різновидів, як електрика та магнетизм. І цей один тип маси завжди привабливий і не відразливий.
Однак існує певна різниця між магнітами та зарядами, оскільки магніти завжди виглядають як диполь. Тобто, будь-який даний магніт завжди матиме північний та південний полюси. Два полюси не можна розділити.
Електричний диполь також може бути створений шляхом розміщення позитивного та негативного заряду на деякій невеликій відстані, але завжди можна розділити ці заряди знову. Якщо ви уявляєте барний магніт з його північним і південним полюсами, і вам потрібно було спробувати розрізати його навпіл, щоб зробити розділити північ і південь, натомість результатом були б два менших магніти, як із власним північем, так і півднем стовпи.
2 - Їх відносна сила порівняно з іншими силами
Якщо порівняти електрику і магнетизм з іншими силами, ми побачимо певні відмінності. Чотири основні сили Всесвіту - це сильні, електромагнітні, слабкі та сили тяжіння. (Зверніть увагу, що електричні та магнітні сили описуються одним і тим же словом - про це трохи пізніше.)
Якщо розглянути сильну силу - силу, яка утримує нуклони разом усередині атома - мати величину 1, тоді електрика та магнетизм мають відносну величину 1/137. Слабка сила, яка відповідає за бета-розпад, має відносну величину 10-6, а гравітаційна сила має відносну величину 6 × 10-39.
Ви правильно прочитали. Це не була друкарська помилка. Гравітаційна сила надзвичайно слабка в порівнянні з усім іншим. Це може здатися неінтуїтивним - зрештою, гравітація - це сила, яка утримує планети в русі і утримує наші ноги на землі! Але подумайте, що відбувається, коли ви берете скріпку магнітом або тканину зі статичною електрикою.
Сила, що підтягує один маленький магніт чи статично заряджений предмет, може протидіяти гравітаційній силі всієї Землі, що тягне за скріпку або тканину! Ми вважаємо гравітацію набагато потужнішою не тому, що вона є, а тому, що ми маємо силу тяжіння цілої земної кулі діючи на нас у будь-який час, тоді як завдяки своїй двійковій природі заряди та магніти часто розташовують себе так, щоб вони були нейтралізований.
3 - Електрика та магнетизм - дві сторони одного і того ж явища
Якщо ми уважніше розглянемо і справді порівняємо електрику та магнетизм, то побачимо, що на фундаментальному рівні це два аспекти одного і того ж явища, що називаєтьсяелектромагнетизм. Перш ніж ми повністю опишемо це явище, давайте глибше зрозуміти поняття, що беруть участь.
Електричні та магнітні поля
Що таке поле? Іноді корисно думати про щось, що здається більш звичним. Гравітація, подібно до електрики та магнетизму, також є силою, яка створює поле. Уявіть область космосу навколо Землі.
Будь-яка дана маса в космосі відчує силу, яка залежить від величини її маси та відстані від Землі. Отже, ми уявляємо, що простір навколо Землі містить aполе, тобто значення, присвоєне кожній точці простору, яке вказує на те, наскільки відносно великою і в якому напрямку буде відповідна сила. Величина гравітаційного поля на відстаньрвід масиМ, наприклад, задається формулою:
E = {GM \ вище {1pt} r ^ 2}
ДеG- універсальна гравітаційна постійна 6,67408 × 10-11 м3/(kgs2). Напрямок, пов'язаний з цим полем у будь-якій точці, буде одиничним вектором, спрямованим до центру Землі.
Електричні поля працюють однаково. Величина електричного поля на відстаньрвід точкового зарядуqзадається формулою:
E = {kq \ над {1pt} r ^ 2}
Деk- постійна Кулона 8,99 × 109 Нм2/ C2. Напрямок цього поля в будь-якій заданій точці спрямований до зарядуqякщоqє від'ємним і не заряджаєтьсяqякщоqє позитивним.
Зверніть увагу, що ці поля підпорядковуються закону оберненого квадрата, тож якщо ви рухаєтеся вдвічі далі, поле стає на чверть сильнішим. Щоб знайти електричне поле, породжене кількома точковими зарядами, або безперервний розподіл заряду, ми просто знайдемо суперпозицію або виконаємо інтегрування розподілу.
Магнітні поля трохи складніші, оскільки магніти завжди надходять у вигляді диполів. Величина магнітного поля часто представлена буквоюB, а точна формула цього залежить від ситуації.
Отже, звідки магнетизмДійсноПрийти з?
Взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом був очевидним для вчених лише через кілька століть після первинних відкриттів кожного з них. Деякі ключові експерименти, що вивчають взаємодію між двома явищами, врешті-решт призвели до розуміння, яке ми маємо сьогодні.
Струмні провідні дроти створюють магнітне поле
На початку 1800-х років вчені вперше виявили, що стрілка магнітного компаса може бути відхилена, коли її тримають біля дроту, що несе струм. Виявляється, струмопровідний дріт створює магнітне поле. Це магнітне поле на відстаньрвід нескінченно довгого дроту, що несе струмЯзадається формулою:
B = {\ mu_0 I \ вище {1pt} 2 \ pi r}
Деμ0 - вакуумна проникність 4π × 10-7 Не застосовується2. Напрямок цього поля задано знакомправило правої руки- направте великий палець правої руки в напрямку струму, а потім пальцями оберніть дріт по колу, вказуючи напрямок магнітного поля.
Це відкриття призвело до створення електромагнітів. Уявіть, що ви берете струм, що несе струм, і обмотуєте його котушкою. Напрямок результуючого магнітного поля буде виглядати як дипольне поле пруткового магніту!
•••pixabay
Але що можна сказати про барні магніти? Звідки береться їх магнетизм?
Магнетизм у баровому магніті породжується рухом електронів в атомах, що його складають. Рухомий заряд у кожному атомі створює невелике магнітне поле. У більшості матеріалів ці поля орієнтовані всіляко, що не призводить до значного магнетизму. Але в деяких матеріалах, таких як залізо, матеріальний склад дозволяє ці поля порівнювати.
Тож магнетизм - це справді прояв електрики!
Але зачекайте, є ще!
Виявляється, не тільки магнетизм виникає внаслідок електрики, але й електрика може генеруватися з магнетизму. Це відкриття зробив Майкл Фарадей. Незабаром після відкриття, що електрика і магнетизм пов'язані, Фарадей знайшов спосіб генерувати струм в котушці дроту, змінюючи магнітне поле, що проходить через центр котушки.
Закон Фарадеястверджує, що струм, індукований в котушці, буде текти в напрямку, що протистоїть зміні, яка його спричинила. Під цим розуміється те, що індукований струм буде текти в напрямку, який генерує магнітне поле, яке протистоїть мінливому магнітному полю, яке його спричинило. По суті, індукований струм просто намагається протидіяти будь-яким змінам поля.
Отже, якщо зовнішнє магнітне поле вказує на котушку, а потім збільшується в величині, сила струму буде потік в такому напрямку, щоб створити магнітне поле, що вказує на петлю, щоб протидіяти цьому змінити. Якщо зовнішнє магнітне поле вказує на котушку і зменшується за величиною, тоді струм буде текти в такому напрямку створити магнітне поле, яке також вказує на котушку, щоб протидіяти зміні.
Відкриття Фарадея призвело до технології, що лежить в основі сучасних електрогенераторів. Для того, щоб виробляти електроенергію, повинен існувати спосіб змінювати магнітне поле, що проходить через котушку дроту. Ви можете собі уявити, як повернути дротяну котушку в присутності сильного магнітного поля, щоб здійснити цю зміну. Це часто робиться за допомогою механічних засобів, таких як турбіна, що рухається вітром або проточною водою.
•••pixabay
Подібність між магнітною силою та електричною силою
Подібності між магнітною силою та електричною силою багато. Обидві сили діють на заряди і походять з того самого явища. Обидві сили мають порівнянні сили, як описано вище.
Електрична сила на зарядіqзавдяки полюЕзадається:
\ vec {F} = q \ vec {E}
Магнітна сила на зарядqрухаючись зі швидкістюvзавдяки полюBзадано законом сили Лоренца:
vec {F} = q \ vec {v} \ times \ vec {B}
Іншим формулюванням цього співвідношення є:
vec {F} = \ vec {I} L \ times \ vec {B}
ДеЯє струмом іLдовжина дроту або провідного шляху в полі.
На додаток до багатьох подібностей між магнітною силою та електричною силою, існують також певні відмінності. Зверніть увагу, що магнітна сила не впливатиме на нерухомий заряд (якщо v = 0, то F = 0) або заряд, що рухається паралельно напрямку поля (що призводить до 0 поперечного добутку), а насправді ступінь дії магнітної сили змінюється залежно від кута між швидкістю та поле.
Взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом
Джеймс Клерк Максвелл вивів набір з чотирьох рівнянь, які математично узагальнюють зв'язок між електрикою та магнетизмом. Ці рівняння такі:
\ трикутник \ cdot \ vec {E} = \ dfrac {\ rho} {\ epsilon_0} \\ \ text {} \\ \ трикутник \ cdot \ vec {B} = 0 \\ \ text {} \\ \ трикутник \ times \ vec {E} = - \ dfrac {\ частковий \ vec {B}} {\ частковий t} \\ \ text {} \\ \ трикутник \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ dfrac {\ частичний \ vec {E}} {\ частковий t}
Усі обговорені раніше явища можна описати за допомогою цих чотирьох рівнянь. Але ще цікавіше, що після їх виведення було знайдено рішення цих рівнянь, яке, здавалося б, не відповідало тому, що було раніше відомо. Це рішення описувало саморозповсюджується електромагнітну хвилю. Але коли була отримана швидкість цієї хвилі, було встановлено, що:
\ dfrac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = 299 792 485 м / с
Це швидкість світла!
Яке значення цього має? Ну, виявляється, що світло, явище, яке дослідники досліджували досить давно, насправді було електромагнітним явищем. Ось чому сьогодні ви бачите це якелектромагнітне випромінювання.
•••pixabay
