Hvad er 3 ligheder mellem magneter og elektricitet?

Indhold

• 1 - De kommer i to modsatte sorter
• 2 - Deres relative styrke sammenlignet med andre kræfter
• 3 - Elektricitet og magnetisme er to sider af samme fænomen
• Elektriske og magnetiske felter
• Så hvor kommer egentlig magnetisme fra?
• Aktuelle bærende ledninger Opret et magnetfelt
• Men hvad med stangmagneter? Hvor kommer deres magnetisme fra?
• Men vent, der er mere!
• Ligheder mellem magnetisk kraft og elektrisk kraft
• Forholdet mellem elektricitet og magnetisme

Elektriske og magnetiske kræfter er to kræfter, der findes i naturen. Selvom de ved første øjekast kan virke forskellige, stammer de begge fra felter, der er forbundet med ladede partikler. De to kræfter har tre hovedligheder, og du bør lære mere om, hvordan disse fænomener opstår.

1 - De kommer i to modsatte sorter

Gebyrer kommer i positive (+) og negative (-) sorter. Den grundlæggende positive ladningsbærer er protonen, og den negative ladningsbærer er elektronet. Begge har en opladning med styrke e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Modsætninger tiltrækker og kan lide afvise; to positive afgifter placeret i nærheden af ​​hinanden vil frastøde, eller oplev en kraft, der skubber dem fra hinanden. Det samme er tilfældet med to negative gebyrer. En positiv og negativ afgift vil dog at tiltrække hinanden.

Tiltrækningen mellem positive og negative ladninger er det, der har tendens til at gøre de fleste genstande elektrisk neutral. Fordi der er det samme antal positive som negative ladninger i universet, og de attraktive og frastødende kræfter handler som de gør, har tendenserne til neutralisere, eller annullere hinanden.

Magneter har ligeledes nord- og sydpoler. To magnetiske nordpoler vil afvise hinanden, ligesom to magnetiske sydpoler, men en nordpol og sydpol vil tiltrække hinanden.

Bemærk, at et andet fænomen, du sandsynligvis er bekendt med, tyngdekraft, ikke er som dette. Tyngdekraft er en attraktiv kraft mellem to masser. Der er kun en “type” masse. Det kommer ikke i positive og negative sorter som elektricitet og magnetisme. Og denne ene type masse er altid attraktiv og ikke frastødende.

Der er en markant forskel mellem magneter og ladninger, idet magneter imidlertid altid fremstår som en dipol. Det vil sige, enhver given magnet vil altid have en nord- og sydpol. De to poler kan ikke adskilles.

En elektrisk dipol kan også oprettes ved at placere en positiv og negativ ladning i en lille afstand fra hinanden, men det er altid muligt at adskille disse ladninger igen. Hvis du forestiller dig en stangmagnet med dens nord- og sydpoler, og du skulle prøve at skære den i halve for at skabe en separat nord- og sydpolse, ville resultatet i stedet være to mindre magneter, begge med deres egne nord- og sydpoler.

2 - Deres relative styrke sammenlignet med andre kræfter

Hvis vi sammenligner elektricitet og magnetisme med andre kræfter, ser vi nogle tydelige forskelle. De fire grundlæggende kræfter i universet er de stærke, elektromagnetiske, svage og tyngdekræfter. (Bemærk, at elektriske og magnetiske kræfter er beskrevet af det samme ord - mere om dette i en smule.)

Hvis vi betragter den stærke kraft - kraften, der holder nukleoner sammen inde i et atom - for at have en styrke på 1, har elektricitet og magnetisme en relativ styrke på 1/137. Den svage kraft - som er ansvarlig for beta-henfald - har en relativ styrke på 10^-6, og tyngdekraften har en relativ styrke på 6 × 10^-39.

Du læser det rigtigt. Det var ikke en skrivefejl. Tyngdekraften er ekstremt wimpy sammenlignet med alt andet. Dette kan virke modsætende - når alt kommer til alt er tyngdekraften den kraft, der holder planeter i bevægelse og holder vores fødder på jorden! Men overvej, hvad der sker, når du henter en papirclips med en magnet eller et væv med statisk elektricitet.

Kraften, der trækker den ene lille magnet eller en statisk ladet genstand op, kan modvirke tyngdekraften fra hele Jorden, der trækker på papirclips eller væv! Vi tænker på tyngdekraften som værende så meget mere kraftfuld ikke fordi den er, men fordi vi har tyngdekraften fra en hel klode, der hele tiden virker på os, hvorimod ladninger og magneter på grund af deres binære natur ofte arrangerer sig så de er neutraliseres.

3 - Elektricitet og magnetisme er to sider af samme fænomen

Hvis vi ser nærmere på og virkelig sammenligner elektricitet og magnetisme, ser vi, at de på et grundlæggende niveau er to aspekter af det samme fænomen, der kaldes elektromagnetisme. Lad os få en dybere forståelse af de involverede koncepter, før vi fuldstændigt beskriver dette fænomen.

Elektriske og magnetiske felter

Hvad er et felt? Nogle gange er det nyttigt at tænke på noget, der synes mere kendt. Tyngdekraft, ligesom elektricitet og magnetisme, er også en kraft, der skaber et felt. Forestil dig regionen med rummet omkring Jorden.

Enhver given masse i rummet vil føle en kraft, der afhænger af størrelsen af ​​dens masse og dens afstand fra Jorden. Så vi forestiller os, at rummet omkring Jorden indeholder en Mark, det vil sige en værdi, der er tildelt hvert punkt i rummet, der giver en vis indikation af, hvor relativt stor, og i hvilken retning, en tilsvarende styrke ville være. Størrelsen på tyngdefeltet en afstand r fra masse Mfor eksempel gives med formlen:

E = {GM over {1pt} r ^ 2}

Hvor G er den universelle gravitationskonstant 6.67408 × 10^-11 m³/ (kg²). Retningen forbundet med dette felt på ethvert givet punkt ville være en enhedsvektor, der peger mod Jordens centrum.

Elektriske felter fungerer på samme måde. Størrelsen på det elektriske felt en afstand r fra punktladning q er givet ved formlen:

E = {kq over {1pt} r ^ 2}

Hvor k er Coulomb-konstanten 8,99 × 10⁹ nm²/ C². Retningen af ​​dette felt på et givet tidspunkt er mod ladningen q hvis q er negativ og væk fra opladning q hvis q er positiv.

Bemærk, at disse felter overholder en omvendt kvadratisk lov, så hvis du bevæger dig dobbelt så langt væk, bliver feltet en fjerdedel så stærk. For at finde det elektriske felt, der genereres af flere punktladninger, eller en kontinuerlig fordeling af ladningen, ville vi simpelthen finde superpositionen eller udføre en integration af distributionen.

Magnetfelter er lidt vanskeligere, fordi magneter altid kommer som dipoler. En magnitude af magnetfeltet er ofte repræsenteret af brevet B, og den nøjagtige formel for det afhænger af situationen.

Så hvor kommer egentlig magnetisme fra?

Forholdet mellem elektricitet og magnetisme var ikke synligt for forskere før flere århundreder efter de første opdagelser af hver. Nogle nøgleeksperimenter med udforskning af samspillet mellem de to fænomener førte til sidst til den forståelse, vi har i dag.

Aktuelle bærende ledninger Opret et magnetfelt

I begyndelsen af ​​1800-tallet opdagede forskere først, at en magnetisk kompasnål kunne afbøjes, når den holdes i nærheden af ​​en tråd med strøm. Det viser sig, at en strømtråd skaber et magnetfelt. Dette magnetiske felt en afstand r fra en uendelig lang ledningsstrøm jeg er givet ved formlen:

B = { mu_0 I over {1pt} 2 pi r}

Hvor μ₀ er vakuumpermeabiliteten 4_π_ × 10^-7 N / A². Retningen af ​​dette felt er angivet af højre hånd regel - peg tommelfingeren på din højre hånd i retning af strømmen, og derefter vinges fingrene omkring ledningen i en cirkel, der angiver magnetfeltets retning.

Denne opdagelse førte til oprettelsen af ​​elektromagneter. Forestil dig at tage en strømtråd og indpakke den i en spole. Retningen på det resulterende magnetfelt vil se ud som en stangmagnets dipolfelt!

••• pixabay

Men hvad med stangmagneter? Hvor kommer deres magnetisme fra?

Magnetisme i en stangmagnet genereres af bevægelsen af ​​elektronerne i atomerne, der udgør den. Den bevægelige ladning i hvert atom skaber et lille magnetfelt. I de fleste materialer er disse felter orienteret på enhver måde, hvilket ikke resulterer i nogen betydelig netmagnetisme. Men i visse materialer, såsom jern, tillader materialesammensætningen, at disse felter alle kan justeres.

Så magnetisme er virkelig en manifestation af elektricitet!

Men vent, der er mere!

Det viser sig, at magnetisme ikke kun skyldes elektricitet, men elektricitet kan genereres fra magnetisme. Denne opdagelse blev foretaget af Michael Faraday. Kort efter opdagelsen af, at elektricitet og magnetisme var relateret, fandt Faraday en måde at generere strøm i en trådspole ved at variere magnetfeltet, der passerer gennem spolen.

Faradays lov siger, at den strøm, der induceres i en spole, vil strømme i en retning, der er imod ændringen, der har forårsaget den. Hvad der menes med dette er, at den inducerede strøm vil strømme i en retning, der genererer et magnetfelt, der modsætter sig det skiftende magnetfelt, der forårsagede det. I det væsentlige forsøger den inducerede strøm simpelthen at modvirke eventuelle feltændringer.

Så hvis det eksterne magnetfelt peger ind i spolen og derefter øges i størrelsesorden, vil strømmen flyde i en sådan retning for at skabe et magnetfelt, der peger ud af løkken for at modvirke denne ændring. Hvis det eksterne magnetfelt peger ind i spolen og aftager i størrelse, vil strømmen strømme i en sådan retning for at skabe et magnetfelt, der også peger ind i spolen for at modvirke ændringen.

Faradays opdagelse førte til teknologien bag dagens strømgeneratorer. For at generere elektricitet skal der være en måde at variere magnetfeltet, der passerer gennem en spiral af wire. Du kan forestille dig at dreje en trådspole i nærværelse af et stærkt magnetfelt for at gennemføre denne ændring. Dette gøres ofte ved hjælp af mekaniske midler, såsom at en turbin flyttes af vind eller vand.

••• pixabay

Ligheder mellem magnetisk kraft og elektrisk kraft

Lighederne mellem magnetisk kraft og elektrisk kraft er mange. Begge kræfter handler på anklager og har deres oprindelse i det samme fænomen. Begge kræfter har sammenlignelige styrker som beskrevet ovenfor.

Elektrisk kraft på opladning q på grund af felt E gives af:

Vec {F} = q vec {E}

Den magnetiske kraft på ladning q bevæger sig med hastighed v på grund af felt B er givet ved Lorentz-styrkeretten:

vec {F} = q vec {v} gange vec {B}

En anden formulering af dette forhold er:

vec {F} = vec {I} L times vec {B}

Hvor jeg er den aktuelle og L længden af ​​ledningen eller ledende sti i marken.

Ud over de mange ligheder mellem magnetisk kraft og elektrisk kraft er der også nogle tydelige forskelle. Bemærk, at den magnetiske kraft ikke vil påvirke en stationær ladning (hvis v = 0, så F = 0) eller en ladning, der bevæger sig parallelt med feltets retning (hvilket resulterer i et 0-krydsprodukt), og faktisk den grad, til hvilken magnetiske kraftvirkninger varierer med vinklen mellem hastigheden og feltet.

Forholdet mellem elektricitet og magnetisme

James Clerk Maxwell afledte et sæt af fire ligninger, der opsummerer forholdet mellem elektricitet og magnetisme matematisk. Disse ligninger er som følger:

triangledown cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} {} triangledown cdot vec {B} = 0 {} triangledown times vec {E} = - dfrac { parti vec {B}} { delvis t} {} triangledown times vec {B} = mu_0 vec {J} + mu_0 epsilon_0 dfrac { partial vec {E}} { partial t}

Alle de fænomener, der er omtalt tidligere, kan beskrives med disse fire ligninger. Men endnu mere interessant er det, at der efter deres afledning blev fundet en løsning på disse ligninger, der ikke syntes at være i overensstemmelse med det, der tidligere var kendt. Denne løsning beskrev en selvforplantende elektromagnetisk bølge. Men da hastigheden på denne bølge blev afledt, blev det bestemt at være:

dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299,792,485 m / s

Dette er lysets hastighed!

Hvad er betydningen af ​​dette? Det viser sig, at lys, et fænomen, som forskere havde undersøgt egenskaberne ved i ganske lang tid, faktisk var et elektromagnetisk fænomen. Dette er grunden til, at du i dag ser det kaldet elektromagnetisk stråling.

••• pixabay