Ποιες είναι οι 3 ομοιότητες μεταξύ των μαγνητών και της ηλεκτρικής ενέργειας;

Περιεχόμενο

• 1 - Έρχονται σε δύο διαφορετικές ποικιλίες
• 2 - Η σχετική αντοχή τους σε σύγκριση με άλλες δυνάμεις
• 3 - Η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός είναι δύο πλευρές του ιδίου φαινομένου
• Ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία
• Έτσι πού προέρχεται πραγματικά ο μαγνητισμός;
• Τρέχουσα μεταφορά καλωδίων Δημιουργήστε ένα μαγνητικό πεδίο
• Αλλά Τι είναι οι μαγνητικοί φραγμοί; Από πού προέρχεται ο μαγνητισμός τους;
• Αλλά περιμένετε, υπάρχουν περισσότερα!
• Ομοιότητες μεταξύ της μαγνητικής δύναμης και της ηλεκτρικής δύναμης
• Σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού

Οι ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις είναι δύο δυνάμεις που βρίσκονται στη φύση. Ενώ με την πρώτη ματιά μπορεί να φαίνεται διαφορετική, και οι δύο προέρχονται από πεδία που σχετίζονται με φορτισμένα σωματίδια. Οι δύο δυνάμεις έχουν τρεις κύριες ομοιότητες και πρέπει να μάθετε περισσότερα για το πώς προκύπτουν αυτά τα φαινόμενα.

1 - Έρχονται σε δύο διαφορετικές ποικιλίες

Οι χρεώσεις έχουν θετικές (+) και αρνητικές (-) ποικιλίες. Ο θεμελιώδης φορέας θετικού φορτίου είναι το πρωτόνιο και ο φορέας αρνητικού φορτίου είναι το ηλεκτρόνιο. Και οι δύο έχουν φορτίο μεγέθους e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Τα αντίθετα προσελκύουν και τους αρέσει να απωθούν. δύο θετικές χρεώσεις που τοποθετούνται το ένα κοντά στο άλλο θα αποκρούω, ή να βιώσετε μια δύναμη που τους πιέζει. Το ίδιο ισχύει για δύο αρνητικές χρεώσεις. Μια θετική και μια αρνητική επιβάρυνση, ωστόσο, θα προσελκύω ο ένας τον άλλον.

Η έλξη μεταξύ θετικών και αρνητικών χρεώσεων είναι αυτό που τείνει να κάνει τα περισσότερα στοιχεία ηλεκτρικά ουδέτερα. Επειδή υπάρχει ο ίδιος αριθμός θετικών αρνητικών φορτίων στο σύμπαν, και οι ελκυστικές και απωθητικές δυνάμεις ενεργούν όπως κάνουν, τα τέλη τείνουν να εξουδετερώνω, ή να ακυρώσετε ο ένας τον άλλον.

Οι μαγνήτες, παρομοίως, έχουν βόρειους και νότιους πόλους. Δύο μαγνητικοί βόρειοι πόλοι θα απωθούν ο ένας τον άλλον όπως δύο μαγνητικοί νότιοι πόλοι, αλλά ένας βόρειος πόλος και ο νότιος πόλος θα προσελκύσουν ο ένας τον άλλον.

Σημειώστε ότι ένα άλλο φαινόμενο που πιθανώς γνωρίζετε, βαρύτητα, δεν είναι αυτό. Η βαρύτητα είναι μια ελκυστική δύναμη ανάμεσα σε δύο μάζες. Υπάρχει μόνο ένας "τύπος" μάζας. Δεν έρχεται σε θετικές και αρνητικές ποικιλίες όπως η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός. Και αυτός ο τύπος μάζας είναι πάντα ελκυστικός και όχι απωθητικός.

Υπάρχει μια σαφής διαφορά μεταξύ των μαγνητών και των φορτίων, ωστόσο, από το ότι οι μαγνήτες εμφανίζονται πάντα ως δίπολο. Δηλαδή, κάθε δεδομένος μαγνήτης θα έχει πάντα βόρειο και νότιο πόλο. Οι δύο πόλοι δεν μπορούν να διαχωριστούν.

Ένα ηλεκτρικό δίπολο μπορεί επίσης να δημιουργηθεί τοποθετώντας ένα θετικό και αρνητικό φορτίο σε κάποια μικρή απόσταση μεταξύ τους, αλλά είναι πάντοτε δυνατό να διαχωριστούν ξανά αυτά τα φορτία. Εάν φανταστείτε έναν μαγνητικό ράβδο με τους βόρειους και νότιους πόλους του και θα προσπαθούσατε να το κόψετε στο μισό για να κάνετε ξεχωριστό βορρά και νότο, τότε θα ήταν δύο μικρότεροι μαγνήτες, με τους δικούς τους βόρειους και νότιους πόλους.

2 - Η σχετική αντοχή τους σε σύγκριση με άλλες δυνάμεις

Εάν συγκρίνουμε την ηλεκτρική ενέργεια και το μαγνητισμό με άλλες δυνάμεις, βλέπουμε κάποιες διακριτές διαφορές. Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος είναι οι ισχυρές, ηλεκτρομαγνητικές, αδύναμες και βαρυτικές δυνάμεις. (Σημειώστε ότι οι ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις περιγράφονται από την ίδια λέξη - περισσότερο σε αυτό σε λίγο.)

Αν θεωρήσουμε ότι η ισχυρή δύναμη - η δύναμη που συγκρατεί τους πυρήνες μαζί μέσα σε ένα άτομο - έχει μέγεθος 1, τότε η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός έχουν σχετικό μέγεθος 1/137. Η ασθενής δύναμη - που είναι υπεύθυνη για τη φθορά της βήτα - έχει σχετικό μέγεθος 10^-6, και η βαρυτική δύναμη έχει σχετικό μέγεθος 6 χ 10^-39.

Διαβάζετε αυτό το δικαίωμα. Δεν ήταν τυπογραφικό λάθος. Η βαρυτική δύναμη είναι εξαιρετικά τρελή σε σύγκριση με οτιδήποτε άλλο. Αυτό μπορεί να φαίνεται αντίθετο - τελικά, η βαρύτητα είναι η δύναμη που κρατάει τους πλανήτες σε κίνηση και κρατά τα πόδια μας στο έδαφος! Αλλά εξετάστε τι συμβαίνει όταν σηκώσετε ένα συνδετήρα με μαγνήτη ή ιστό με στατικό ηλεκτρισμό.

Η δύναμη που τραβάει το ένα μικρό μαγνήτη ή ένα στατικά φορτισμένο στοιχείο μπορεί να εξουδετερώσει τη βαρυτική δύναμη ολόκληρης της Γης τραβώντας τον κρίκο του χαρτιού ή τον ιστό! Θεωρούμε ότι η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρότερη όχι επειδή είναι, αλλά επειδή έχουμε τη βαρυτική δύναμη ολόκληρης της σφαίρας που ενεργεί επάνω μας ανά πάσα στιγμή ενώ, λόγω της δυαδικής τους φύσης, τα φορτία και οι μαγνήτες συχνά οργανώνονται έτσι ώστε να είναι εξουδετερωμένο.

3 - Η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός είναι δύο πλευρές του ιδίου φαινομένου

Αν κοιτάξουμε πιο προσεκτικά και πραγματικά συγκρίνουμε την ηλεκτρική ενέργεια και τον μαγνητισμό, βλέπουμε ότι σε ένα θεμελιώδες επίπεδο είναι δύο πτυχές του ίδιου φαινομένου που ονομάζεται ηλεκτρομαγνητισμό. Πριν να περιγράψουμε πλήρως αυτό το φαινόμενο, αφήνουμε να κατανοήσουμε βαθύτερα τις εννοούμενες έννοιες.

Ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία

Τι είναι ένα πεδίο; Μερικές φορές είναι χρήσιμο να σκεφτόμαστε κάτι που φαίνεται πιο οικείο. Η βαρύτητα, όπως η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός, είναι επίσης μια δύναμη που δημιουργεί ένα πεδίο. Φανταστείτε την περιοχή του χώρου γύρω από τη Γη.

Κάθε δεδομένη μάζα στο διάστημα θα αισθανθεί μια δύναμη που εξαρτάται από το μέγεθος της μάζας της και την απόσταση της από τη Γη. Φαντάζουμε λοιπόν ότι ο χώρος γύρω από τη Γη περιέχει α πεδίο, δηλαδή μια τιμή που αποδίδεται σε κάθε σημείο του διαστήματος που δίνει κάποια ένδειξη για το πόσο σχετικά μεγάλο και σε ποια κατεύθυνση θα υπήρχε μια αντίστοιχη δύναμη. Το μέγεθος του πεδίου βαρύτητας μια απόσταση r από τη μάζα Μ, για παράδειγμα, δίνεται από τον τύπο:

E = {GM πάνω από {1pt} r ^ 2}

Που σολ είναι η γενική σταθερά βαρύτητας 6,67408 × 10^-11 Μ³/ (kgs²). Η κατεύθυνση που σχετίζεται με αυτό το πεδίο σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο θα είναι ένα διάνυσμα μονάδας που δείχνει προς το κέντρο της Γης.

Τα ηλεκτρικά πεδία λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο. Το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου μια απόσταση r από το σημείο φόρτισης q δίνεται από τον τύπο:

E = {kq πάνω από {1pt} r ^ 2}

Που κ είναι η σταθερά Coulomb 8,99 × 10⁹ Nm²/ΝΤΟ². Η κατεύθυνση αυτού του πεδίου σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο είναι προς το τέλος q αν q είναι αρνητική και μακριά από τη χρέωση q αν q είναι θετική.

Σημειώστε ότι αυτά τα πεδία υπακούουν σε έναν αντίστροφο τετραγωνικό νόμο, οπότε αν μετακινηθείτε δύο φορές πιο μακριά, το πεδίο γίνεται το ένα τέταρτο τόσο ισχυρό. Για να βρούμε το ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από πολλές φορτίσεις σημείων ή μια συνεχή κατανομή φορτίου, θα βρούσαμε απλώς την επικάλυψη ή την ολοκλήρωση της διανομής.

Τα μαγνητικά πεδία είναι λίγο πιο δύσκολα γιατί οι μαγνήτες έρχονται πάντα ως δίπολα. Ένα μέγεθος του μαγνητικού πεδίου συχνά αντιπροσωπεύεται από το γράμμα σι, και η ακριβής φόρμουλα για αυτό εξαρτάται από την κατάσταση.

Έτσι πού προέρχεται πραγματικά ο μαγνητισμός;

Η σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού δεν ήταν εμφανής στους επιστήμονες μέχρι αρκετούς αιώνες μετά τις αρχικές ανακαλύψεις του καθενός. Μερικά βασικά πειράματα που διερευνούν την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο φαινομένων τελικά οδήγησαν στην κατανόηση που έχουμε σήμερα.

Τρέχουσα μεταφορά καλωδίων Δημιουργήστε ένα μαγνητικό πεδίο

Στις αρχές της δεκαετίας του 1800 οι επιστήμονες ανακάλυψαν για πρώτη φορά ότι μια μαγνητική βελόνα πυξίδας θα μπορούσε να αποκλίνει όταν κρατιέται κοντά σε ένα ρεύμα μεταφοράς ρεύματος. Αποδεικνύεται ότι ένα καλώδιο μεταφοράς ρεύματος δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό το μαγνητικό πεδίο μια απόσταση r από ένα απείρως μακρύ ρεύμα μεταφοράς ρεύματος Εγώ δίνεται από τον τύπο:

B = { mu_0 I πάνω από {1pt} 2 pi}

Που μ₀ είναι η διαπερατότητα υπό κενό 4_π_ × 10^-7 N / A². Η κατεύθυνση αυτού του πεδίου δίνεται από το δεξί κανόνα - Στρίψτε τον αντίχειρα του δεξί σας χεριού προς την κατεύθυνση του ρεύματος και στη συνέχεια τα δάχτυλά σας τυλίγουν γύρω από το σύρμα σε έναν κύκλο που δείχνει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.

Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε στη δημιουργία ηλεκτρομαγνητών. Φανταστείτε να τραβήξετε ένα καλώδιο μεταφοράς ρεύματος και να το τυλίξετε σε ένα πηνίο. Η κατεύθυνση του προκύπτοντος μαγνητικού πεδίου θα μοιάζει με το δίπολο πεδίο ενός μαγνητικού ράβδου!

••• pixabay

Αλλά Τι είναι οι μαγνητικοί φραγμοί; Από πού προέρχεται ο μαγνητισμός τους;

Ο μαγνητισμός σε έναν μαγνητικό ράβδο δημιουργείται από την κίνηση των ηλεκτρονίων στα άτομα που το αποτελούν. Το κινούμενο φορτίο σε κάθε άτομο δημιουργεί ένα μικρό μαγνητικό πεδίο. Στα περισσότερα υλικά, αυτά τα πεδία είναι προσανατολισμένα με κάθε τρόπο, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει σημαντικός καθαρός μαγνητισμός. Αλλά σε ορισμένα υλικά, όπως ο σίδηρος, η σύνθεση του υλικού επιτρέπει σε όλα αυτά τα πεδία να γίνουν ευθυγραμμισμένα.

Έτσι ο μαγνητισμός είναι μια εκδήλωση ηλεκτρισμού!

Αλλά περιμένετε, υπάρχουν περισσότερα!

Αποδεικνύεται ότι όχι μόνο ο μαγνητισμός προκύπτει από την ηλεκτρική ενέργεια, αλλά η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να δημιουργηθεί από το μαγνητισμό. Αυτή η ανακάλυψη έγινε από τον Michael Faraday. Λίγο μετά την ανακάλυψη ότι η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός σχετίζονταν, ο Faraday βρήκε έναν τρόπο να παράγει ρεύμα σε ένα πηνίο σύρματος μεταβάλλοντας το μαγνητικό πεδίο που διέρχεται από το κέντρο του πηνίου.

Ο νόμος του Faraday δηλώνει ότι το ρεύμα που προκαλείται σε ένα πηνίο θα ρέει σε μια κατεύθυνση που αντιτίθεται στην αλλαγή που το προκάλεσε. Αυτό που εννοείται με αυτό είναι ότι το επαγόμενο ρεύμα θα ρέει σε μια κατεύθυνση που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που αντιτίθεται στο μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που το προκάλεσε. Στην ουσία, το επαγόμενο ρεύμα απλά προσπαθεί να εξουδετερώσει τυχόν αλλαγές πεδίου.

Αν λοιπόν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δείχνει στο πηνίο και στη συνέχεια αυξάνει το μέγεθος, το ρεύμα θα ρέει σε μια τέτοια κατεύθυνση για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που δείχνει έξω από το βρόχο για να αντισταθμίσει αυτή την αλλαγή. Αν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δείχνει στο πηνίο και μειωθεί σε μέγεθος, τότε το ρεύμα θα ρέει σε μια τέτοια κατεύθυνση για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που επίσης δείχνει στο πηνίο για να αντισταθμίσει την αλλαγή.

Η ανακάλυψη του Faraday οδήγησε στην τεχνολογία πίσω από τις σημερινές γεννήτριες ισχύος. Προκειμένου να παράγεται ηλεκτρισμός, πρέπει να υπάρχει ένας τρόπος για τη μεταβολή του μαγνητικού πεδίου που διέρχεται από ένα πηνίο σύρματος. Μπορείτε να φανταστείτε την περιστροφή ενός συρμάτινου σύρματος παρουσία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου για να ενεργοποιήσετε αυτήν την αλλαγή. Αυτό γίνεται συχνά με μηχανικά μέσα, όπως μια τουρμπίνα που μετακινείται από τον άνεμο ή από το ρέον νερό.

••• pixabay

Ομοιότητες μεταξύ της μαγνητικής δύναμης και της ηλεκτρικής δύναμης

Οι ομοιότητες μεταξύ της μαγνητικής δύναμης και της ηλεκτρικής δύναμης είναι πολλές. Και οι δύο δυνάμεις ενεργούν με κατηγορίες και έχουν την προέλευσή τους στο ίδιο φαινόμενο. Και οι δύο δυνάμεις έχουν συγκρίσιμα πλεονεκτήματα, όπως περιγράφεται παραπάνω.

Ηλεκτρική δύναμη στη φόρτιση q λόγω του πεδίου μι δίνεται από:

vec {F} = q vec {E}

Η μαγνητική δύναμη στο φορτίο q κινείται με ταχύτητα v λόγω του πεδίου σι δίνεται από το νόμο του Lorentz:

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

Μια άλλη διατύπωση αυτής της σχέσης είναι:

vec {F} = vec {I} L φορές vec {B}

Που Εγώ είναι το τρέχον και μεγάλο το μήκος του σύρματος ή της αγώγιμης διαδρομής στο πεδίο.

Εκτός από τις πολλές ομοιότητες μεταξύ μαγνητικής δύναμης και ηλεκτρικής δύναμης, υπάρχουν επίσης κάποιες διακριτές διαφορές. Σημειώστε ότι η μαγνητική δύναμη δεν θα επηρεάσει ένα στατικό φορτίο (αν v = 0, τότε F = 0) ή ένα φορτίο που κινείται παράλληλα προς την κατεύθυνση του πεδίου (που οδηγεί σε ένα προϊόν cross product) και στην πραγματικότητα ο βαθμός στον οποίο οι πράξεις μαγνητικής δύναμης ποικίλλουν ανάλογα με τη γωνία μεταξύ της ταχύτητας και του πεδίου.

Σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού

Ο James Clerk Maxwell απέκτησε ένα σύνολο τεσσάρων εξισώσεων που συνοψίζουν μαθηματικά τη σχέση ηλεκτρικής ενέργειας με μαγνητισμό. Οι εξισώσεις αυτές έχουν ως εξής:

triangledown cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} \\\\\\\\\\\\\\ " n epsilon_0 dfrac { μερική vec {E}} { μερική t}

Όλα τα φαινόμενα που συζητήθηκαν προηγουμένως μπορούν να περιγραφούν με αυτές τις τέσσερις εξισώσεις. Αλλά ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι μετά την παραγωγή τους, βρέθηκε μια λύση σε αυτές τις εξισώσεις που δεν φαίνεται να είναι σύμφωνη με ό, τι ήταν παλαιότερα γνωστό. Αυτή η λύση περιγράφει ένα αυτοδιάχυτο ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Αλλά όταν η ταχύτητα αυτού του κύματος προήλθε, αποφασίστηκε να είναι:

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

Αυτή είναι η ταχύτητα του φωτός!

Ποια είναι η σημασία αυτού; Λοιπόν, αποδεικνύεται ότι το φως, ένα φαινόμενο που οι επιστήμονες είχαν εξερευνήσει τις ιδιότητες του εδώ και αρκετό καιρό, ήταν στην πραγματικότητα ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο. Αυτός είναι ο λόγος που σήμερα το βλέπετε να αναφέρεται ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

••• pixabay