Aké sú 3 podobnosti medzi magnetmi a elektrinou?

Obsah

• 1 - Prichádzajú v dvoch opačných druhoch
• 2 - Relatívna sila v porovnaní s inými silami
• 3 - Elektrina a magnetizmus sú dve strany toho istého javu
• Elektrické a magnetické polia
• Takže odkiaľ magnetizmus skutočne pochádza?
• Aktuálne drôty vytvárajú magnetické pole
• Ale čo stĺpcové magnety? Odkiaľ pochádza ich magnetizmus?
• Ale počkajte, je toho viac!
• Podobnosti medzi magnetickou silou a elektrickou silou
• Vzťah medzi elektrinou a magnetizmom

Elektrické a magnetické sily sú dve sily nachádzajúce sa v prírode. Na prvý pohľad sa môžu zdať odlišné, ale pochádzajú z polí spojených s nabitými časticami. Tieto dve sily majú tri hlavné podobnosti a mali by ste sa dozvedieť viac o tom, ako tieto javy vznikajú.

1 - Prichádzajú v dvoch opačných druhoch

Poplatky sa dodávajú v pozitívnych (+) a negatívnych (-) odrodách. Základným nosičom pozitívneho náboja je protón a nosičom záporného náboja je elektrón. Obe majú náboj veľkosti e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Protiklady priťahujú a radi odpudzujú; dva kladné náboje umiestnené blízko seba budú odpudzovaťalebo zažite silu, ktorá ich oddeľuje. To isté platí o dvoch negatívnych poplatkoch. Pozitívny a negatívny poplatok však bude priťahovať navzájom.

Príťažlivosť medzi kladným a záporným nábojom je to, čo robí väčšinu položiek elektricky neutrálnymi. Pretože vo vesmíre existuje rovnaký počet pozitívnych ako negatívnych nábojov a príťažlivé a odpudivé sily konajú tak, ako to robia, poplatky majú tendenciu neutralizovaťalebo sa navzájom rušte.

Podobne majú magnety severný a južný pól. Dva magnetické severné póly sa navzájom odpudia rovnako ako dva magnetické južné póly, ale severný a južný pól sa navzájom priťahujú.

Všimnite si, že iný jav, ktorý pravdepodobne poznáte, gravitácia, nie je taký. Gravitácia je príťažlivá sila medzi dvoma masami. Existuje iba jeden „druh“ hmoty. Neprichádza k pozitívnym a negatívnym variantom, ako je elektrina a magnetizmus. A tento jeden druh hmoty je vždy atraktívny a neodpudzujúci.

Medzi magnetmi a nábojmi je však zreteľný rozdiel v tom, že magnety sa vždy javia ako dipól. To znamená, že každý daný magnet bude mať vždy severný a južný pól. Dva póly nie je možné oddeliť.

Elektrický dipól sa môže vytvoriť aj umiestnením kladného a záporného náboja v určitej malej vzdialenosti od seba, ale vždy je možné tieto náboje opäť oddeliť. Ak si predstavujete tyčový magnet so svojimi severnými a južnými pólmi a mali ste sa pokúsiť ho rozrezať na polovicu, aby ste vytvorili samostatný sever a juh, výsledkom by boli dva menšie magnety, obidva s vlastným severným a južným pólom.

2 - Relatívna sila v porovnaní s inými silami

Ak porovnáme elektrinu a magnetizmus s inými silami, vidíme určité zreteľné rozdiely. Štyri základné sily vesmíru sú silné, elektromagnetické, slabé a gravitačné sily. (Všimnite si, že elektrické a magnetické sily sú opísané tým istým jedným slovom - o tom trochu viac.)

Ak vezmeme do úvahy silnú silu - silu, ktorá drží nukleóny pohromade vo vnútri atómu - mať veľkosť 1, potom má elektrina a magnetizmus relatívnu veľkosť 1/137. Slabá sila - ktorá je zodpovedná za beta rozpad - má relatívnu veľkosť 10^-6a gravitačná sila má relatívnu veľkosť 6 × 10^-39.

Čítali ste to správne. Nebolo to preklep. Gravitačná sila je v porovnaní so všetkým ostatným extrémne slabá. Môže sa to zdať kontraintuitívne - koniec koncov, gravitácia je sila, ktorá udržuje planéty v pohybe a udržuje naše nohy na zemi! Zvážte však, čo sa stane, keď zdvihnete kancelársku sponku s magnetom alebo tkanivo so statickou elektrinou.

Sila vyťahujúca jeden malý magnet alebo staticky nabitý predmet môže pôsobiť proti gravitačnej sile celej Zeme ťahanej za kancelársku sponku alebo tkanivo! Gravitáciu považujeme za oveľa silnejšiu nie preto, že je, ale preto, že na nás neustále pôsobíme gravitačné sily celej zemegule, zatiaľ čo v dôsledku ich binárnej povahy sa náboje a magnety často usporiadajú tak, že sú neutralizovaný.

3 - Elektrina a magnetizmus sú dve strany toho istého javu

Ak sa pozrieme bližšie a skutočne porovnáme elektrinu a magnetizmus, vidíme, že na základnej úrovni sú to dva aspekty toho istého javu, ktorý sa nazýva elektromagnetizmus, Predtým, ako tento jav úplne opíšeme, umožníme hlbšie porozumieť zahrnutým konceptom.

Elektrické a magnetické polia

Čo je to pole? Niekedy je užitočné premýšľať o niečom, čo sa zdá byť známe. Gravitácia, podobne ako elektrina a magnetizmus, je tiež silou, ktorá vytvára pole. Predstavte si oblasť vesmíru okolo Zeme.

Akákoľvek daná hmota vo vesmíre bude pociťovať silu, ktorá závisí od rozsahu jej hmotnosti a vzdialenosti od Zeme. Takže si predstavujeme, že priestor okolo Zeme obsahuje a lúka, to znamená, hodnota priradená každému bodu v priestore, ktorá poskytuje náznak toho, ako relatívne veľká a akým smerom by bola zodpovedajúca sila. Veľkosť gravitačného poľa a vzdialenosť r z hmoty Mnapríklad je daná vzorcom:

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

Kde G je univerzálna gravitačná konštanta 6,667408 × 10^-11 m³/ (Kg²). Smerom spojeným s týmto poľom v ktoromkoľvek danom bode by bol jednotkový vektor smerujúci do stredu Zeme.

Elektrické polia fungujú rovnakým spôsobom. Veľkosť elektrického poľa a vzdialenosť r z bodového poplatku q je daná vzorcom:

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

Kde k je Coulombova konštanta 8,99 × 10⁹ nm²/ C², Smer tohto poľa v ktoromkoľvek danom bode je smerom k náboju q ak q je negatívny a je nabitý q ak q je pozitívny.

Všimnite si, že tieto polia sa riadia inverzným štvorcovým zákonom, takže ak sa pohnete dvakrát tak ďaleko, pole sa stane o štvrtinu silnejšie. Aby sme našli elektrické pole generované niekoľkými bodovými nábojmi alebo nepretržitým rozdelením náboja, jednoducho by sme našli superpozíciu alebo vykonali integráciu distribúcie.

Magnetické polia sú trochu zložitejšie, pretože magnety vždy prichádzajú ako dipóly. Veľkosť magnetického poľa je často predstavovaná písmenom Ba jej presný vzorec závisí od situácie.

Takže odkiaľ magnetizmus skutočne pochádza?

Vzťah medzi elektrinou a magnetizmom nebol vedcom zrejmý až niekoľko storočí po počiatočných objavoch každého z nich. Niektoré kľúčové experimenty skúmajúce interakciu medzi týmito dvoma javmi nakoniec viedli k porozumeniu, ktoré máme dnes.

Aktuálne drôty vytvárajú magnetické pole

Na začiatku 20. storočia vedci prvýkrát objavili, že magnetická kompasová ihla by sa mohla vychýliť, keď sa bude držať v blízkosti drôtu, ktorý prenáša prúd. Ukazuje sa, že vodič prenášajúci prúd vytvára magnetické pole. Toto magnetické pole je vzdialenosť r z nekonečne dlhého vodiča ja je daná vzorcom:

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

Kde μ₀ je priepustnosť vákua 4_π_ × 10^-7 N / A², Smer tohto poľa je daný pravidlo pravej ruky - nasmerujte palec pravej ruky v smere aktuálneho prúdu a potom sa prsty omotajú okolo drôtu v kruhu označujúcom smer magnetického poľa.

Tento objav viedol k vytvoreniu elektromagnetov. Predstavte si, že vezmete prúdový drôt a zabalíte ho do cievky. Smer výsledného magnetického poľa bude vyzerať ako dipólové pole tyčového magnetu!

••• pixabay

Ale čo stĺpcové magnety? Odkiaľ pochádza ich magnetizmus?

Magnetizmus v tyčovom magnete je generovaný pohybom elektrónov v atómoch, ktoré ho tvoria. Pohyblivý náboj v každom atóme vytvára malé magnetické pole. Vo väčšine materiálov sú tieto polia orientované všetkými smermi, čoho výsledkom nie je významný magnetizmus siete. Ale v určitých materiáloch, ako je železo, umožňuje materiálové zloženie, aby sa všetky polia zarovnali.

Takže magnetizmus je skutočne prejavom elektrickej energie!

Ale počkajte, je toho viac!

Ukazuje sa, že magnetizmus nie je len výsledkom elektriny, ale elektrina sa môže vyrábať aj z magnetizmu. Tento objav urobil Michael Faraday. Krátko po zistení, že elektrina a magnetizmus súviseli, Faraday našiel spôsob, ako generovať prúd v cievke drôtu zmenou magnetického poľa prechádzajúceho stredom cievky.

Faradayov zákon uvádza, že prúd indukovaný v cievke bude prúdiť v smere, ktorý je proti zmene, ktorá ho spôsobila. To znamená, že indukovaný prúd bude prúdiť v smere, ktorý vytvára magnetické pole, ktoré je proti meniacemu sa magnetickému poľu, ktoré ho spôsobilo. Indukovaný prúd sa v podstate snaží vyrovnať so zmenami v poli.

Ak teda vonkajšie magnetické pole smeruje do cievky a potom sa zvyšuje, prúd bude prúdiť takým smerom, aby sa vytvorilo magnetické pole smerujúce von zo slučky, aby sa zabránilo tejto zmene. Pokiaľ vonkajšie magnetické pole smeruje do cievky a zmenšuje sa veľkosť, potom prúd bude prúdiť takým smerom, aby sa vytvorilo magnetické pole, ktoré tiež smeruje do cievky, aby pôsobilo proti zmene.

Faradayov objav objavil technológiu za súčasnými generátormi energie. Aby sa mohla vyrábať elektrina, musí existovať spôsob, ako meniť magnetické pole prechádzajúce cievkou drôtu. Viete si predstaviť, ako sa cievka drôtu otočí v prítomnosti silného magnetického poľa, aby sa táto zmena vykonala. Toto sa často robí mechanickými prostriedkami, napríklad turbínou, ktorá sa pohybuje vetrom alebo tečúcou vodou.

••• pixabay

Podobnosti medzi magnetickou silou a elektrickou silou

Podobnosť medzi magnetickou silou a elektrickou silou je veľa. Obe sily konajú na základe obvinenia a majú svoj pôvod v rovnakom fenoméne. Obe sily majú porovnateľnú pevnosť, ako je opísané vyššie.

Elektrická sila na nabíjanie q kvôli poľu E je daný:

Vec {F} = q vec {E}

Magnetická sila pri nabíjaní q pohybujúce sa rýchlosťou proti kvôli poľu B je daný zákonom Lorentzovej sily:

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

Ďalšou formuláciou tohto vzťahu je:

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

Kde ja je aktuálny a L dĺžka drôtu alebo vodivej dráhy v poli.

Okrem mnohých podobností medzi magnetickou silou a elektrickou silou existujú aj zreteľné rozdiely. Všimnite si, že magnetická sila neovplyvní stacionárny náboj (ak v = 0, potom F = 0) alebo náboj, ktorý sa pohybuje rovnobežne so smerom poľa (čo vedie k krížovému produktu 0), a v skutočnosti k stupňu, do ktorého pôsobenie magnetickej sily sa mení s uhlom medzi rýchlosťou a poľom.

Vzťah medzi elektrinou a magnetizmom

James Clerk Maxwell odvodil súbor štyroch rovníc, ktoré matematicky sumarizujú vzťah medzi elektrinou a magnetizmom. Tieto rovnice sú nasledujúce:

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

Všetky tieto javy, o ktorých sa hovorilo vyššie, sa dajú opísať týmito štyrmi rovnicami. Ale ešte zaujímavejšie je, že po ich odvodení sa našlo riešenie týchto rovníc, ktoré sa nezdalo byť konzistentné s tým, čo bolo predtým známe. Toto riešenie opisuje samo sa šíriacu elektromagnetickú vlnu. Keď sa však rýchlosť tejto vlny odvodila, určilo sa, že:

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

Toto je rýchlosť svetla!

Aký to má význam? Ukazuje sa, že svetlo, ktorého vedci skúmali vlastnosti už nejaký čas, bolo vlastne elektromagnetickým javom. To je dôvod, prečo to dnes vidíte ako elektromagnetická radiácia.

••• pixabay