Vad är tre likheter mellan magneter och elektricitet?

Innehåll

• 1 - De kommer i två motsatta varianter
• 2 - Deras relativa styrka jämfört med andra krafter
• 3 - Elektricitet och magnetism är två sidor av samma fenomen
• Elektriska och magnetiska fält
• Så var kommer egentligen magnetism ifrån?
• Aktuella bärkablar Skapa ett magnetfält
• Men hur är det med stavmagneter? Var kommer deras magnetism ifrån?
• Men vänta, det finns mer!
• Likheter mellan magnetisk kraft och elektrisk kraft
• Förhållandet mellan elektricitet och magnetism

Elektriska och magnetiska krafter är två krafter som finns i naturen. Medan de vid första anblicken kan verka annorlunda, kommer de båda från fält associerade med laddade partiklar. De två krafterna har tre huvudsakliga likheter, och du bör lära dig mer om hur dessa fenomen uppstår.

1 - De kommer i två motsatta varianter

Avgifter kommer i positiva (+) och negativa (-) sorter. Den grundläggande positiva laddningsbäraren är protonen och den negativa laddningsbäraren är elektron. Båda har en laddning på magneten e = 1,602 × 10^-19 Coulomb.

Motsättningar lockar och gillar avvisa; två positiva avgifter placerade nära varandra kommer slå tillbaka, eller upplev en kraft som skjuter dem isär. Detsamma gäller för två negativa avgifter. En positiv och en negativ avgift kommer dock locka till sig varandra.

Attraktionen mellan positiva och negativa laddningar är det som tenderar att göra de flesta föremål elektriskt neutrala. Eftersom det finns samma antal positiva som negativa laddningar i universum, och de attraktiva och avvisande krafterna agerar som de gör, tenderar laddningarna att neutralisera, eller avbryt varandra.

Magneter har på samma sätt nord- och sydpoler. Två magnetiska nordpoler kommer att avvisa varandra liksom två magnetiska sydpoler, men en nordpol och sydpol kommer att locka varandra.

Observera att ett annat fenomen som du troligt känner till, allvar, inte är så här. Tyngdkraften är en attraktiv kraft mellan två massor. Det finns bara en "typ" av massa. Det kommer inte i positiva och negativa sorter som el och magnetism gör. Och den här typen av massa är alltid attraktiv och inte avvisande.

Det finns en tydlig skillnad mellan magneter och laddningar, emellertid genom att magneter alltid visas som en dipol. Det vill säga att varje given magnet alltid har en nord- och sydpol. De två polerna kan inte separeras.

En elektrisk dipol kan också skapas genom att placera en positiv och negativ laddning på lite avstånd från varandra, men det är alltid möjligt att separera dessa laddningar igen. Om du föreställer dig en stångmagnet med dess nord- och sydpoler, och du skulle försöka klippa den i hälften för att skapa en separat norr och söder, i stället skulle resultatet bli två mindre magneter, båda med sina egna nord- och sydpoler.

2 - Deras relativa styrka jämfört med andra krafter

Om vi ​​jämför elektricitet och magnetism med andra krafter ser vi några tydliga skillnader. Universumets fyra grundläggande krafter är de starka, elektromagnetiska, svaga och gravitationella krafterna. (Observera att elektriska och magnetiska krafter beskrivs av samma enda ord - mer om detta på lite.)

Om vi ​​anser att den starka kraften - kraften som håller nukleoner samman i en atom - har en magnitude av 1, har elektricitet och magnetism en relativ magnitet på 1/137. Den svaga kraften - som är ansvarig för beta-sönderfall - har en relativ magnitude på 10^-6och tyngdkraften har en relativ magnitet på 6 × 10^-39.

Du läser rätt. Det var inte en skrivfel. Tyngdkraften är extremt vinklad jämfört med allt annat. Detta kan verka motsatt - trots allt är tyngdkraften den kraft som håller planeter i rörelse och håller våra fötter på marken! Men tänk på vad som händer när du plockar upp en gem med magnet eller vävnad med statisk elektricitet.

Kraften som drar upp den ena lilla magneten eller det statiskt laddade föremålet kan motverka gravitationskraften för hela jorden som drar på pappersklippet eller vävnaden! Vi tänker på tyngdkraften som så mycket mer kraftfull, inte för att den är, utan för att vi har tyngdkraften hos en hel jordklot som verkar på oss hela tiden medan, på grund av deras binära natur, laddar och magneter ofta ordnar sig så att de är neutraliseras.

3 - Elektricitet och magnetism är två sidor av samma fenomen

Om vi ​​tittar närmare och verkligen jämför elektricitet och magnetism ser vi att de på en grundläggande nivå är två aspekter av samma fenomen som kallas elektromagnetism. Innan vi fullständigt beskriver detta fenomen, låt oss få en djupare förståelse av de inblandade koncepten.

Elektriska och magnetiska fält

Vad är ett fält? Ibland är det bra att tänka på något som verkar mer bekant. Tyngdkraft, som elektricitet och magnetism, är också en kraft som skapar ett fält. Föreställ dig regionen med rymden runt jorden.

Varje given massa i rymden kommer att känna en kraft som beror på storleken på dess massa och dess avstånd från jorden. Så vi föreställer oss att utrymmet runt jorden innehåller en fält, det vill säga ett värde som tilldelas varje punkt i rymden som ger viss indikation på hur relativt stort och i vilken riktning en motsvarande kraft skulle vara. Gravitationsfältets storlek ett avstånd r från massa Mtill exempel ges av formeln:

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

Var G är den universella gravitationskonstanten 6.67408 × 10^-11 m³/ (kg²). Riktningen förknippad med detta fält vid en given punkt skulle vara en enhetsvektor som pekar mot jordens centrum.

Elektriska fält fungerar på samma sätt. Storleken på det elektriska fältet ett avstånd r från punktladdning q ges med formeln:

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

Var k är Coulomb-konstanten 8,99 × 10⁹ nm²/ C². Fältets riktning vid en given punkt är mot laddningen q om q är negativ och bort från laddning q om q är positivt.

Observera att dessa fält följer en invers kvadratisk lag, så om du flyttar dubbelt så långt bort blir fältet en fjärdedel så stark. För att hitta det elektriska fältet som genereras av flera punktladdningar, eller en kontinuerlig fördelning av laddningen, skulle vi helt enkelt hitta superpositionen eller utföra en integration av distributionen.

Magnetfält är lite svårare eftersom magneter alltid kommer som dipoler. En magnitude av magnetfältet representeras ofta av bokstaven B, och den exakta formeln för det beror på situationen.

Så var kommer egentligen magnetism ifrån?

Förhållandet mellan elektricitet och magnetism var inte uppenbart för forskare förrän flera århundraden efter de första upptäckterna av var och en. Vissa viktiga experiment som undersöker interaktionen mellan de två fenomenen ledde så småningom till den förståelse vi har idag.

Aktuella bärkablar Skapa ett magnetfält

I början av 1800-talet upptäckte forskarna först att en magnetisk kompassnål kunde avledas när den hålls nära en tråd som bär ström. Det visar sig att en strömkabel skapar ett magnetfält. Detta magnetfält ett avstånd r från en oändligt lång ledningsström jag ges med formeln:

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

Var μ₀ är vakuumpermeabiliteten 4_π_ × 10^-7 N / A². Riktningen för detta fält ges av höger handregel - peka på högerhandens tumme i strömriktningen, och dra sedan fingrarna runt tråden i en cirkel som indikerar magnetfältets riktning.

Denna upptäckt ledde till skapandet av elektromagneter. Föreställ dig att ta en strömkabel och linda den i en spole. Riktningen för det resulterande magnetfältet kommer att se ut som en stapelmagnets dipolfält!

••• pixabay

Men hur är det med stavmagneter? Var kommer deras magnetism ifrån?

Magnetism i en stångmagnet genereras av rörelsen hos elektronerna i atomerna som utgör den. Den rörliga laddningen i varje atom skapar ett litet magnetfält. I de flesta material är dessa fält orienterade på vilket sätt som helst, vilket inte resulterar i någon betydande nätmagnetism. Men i vissa material, som järn, möjliggör materialkompositionen att alla fält blir i linje.

Så magnetism är verkligen en manifestation av el!

Men vänta, det finns mer!

Det visar sig att magnetism inte bara är resultatet av elektricitet, utan el kan också genereras genom magnetism. Upptäckten gjordes av Michael Faraday. Strax efter upptäckten att elektricitet och magnetism var relaterade, hittade Faraday ett sätt att generera ström i en trådspole genom att variera magnetfältet som passerar genom spolens centrum.

Faradays lag säger att strömmen som induceras i en spole kommer att flyta i en riktning som motsätter sig förändringen som orsakade den. Vad som menas med detta är att den inducerade strömmen flyter i en riktning som genererar ett magnetfält som motsätter sig det förändrade magnetfältet som orsakade det. I huvudsak försöker den inducerade strömmen helt enkelt motverka eventuella fältförändringar.

Så om det yttre magnetfältet pekar in i spolen och sedan ökar i storlek, kommer strömmen att flöda i en sådan riktning för att skapa ett magnetfält som pekar ut ur slingan för att motverka denna förändring. Om det yttre magnetfältet pekar in i spolen och minskar i storlek, kommer strömmen att flyta i en sådan riktning för att skapa ett magnetfält som också pekar in i spolen för att motverka förändringen.

Faradays upptäckt ledde till tekniken bakom dagens kraftgeneratorer. För att generera elektricitet måste det finnas ett sätt att variera magnetfältet som passerar genom en trådspole. Du kan tänka dig att vrida en trådspole i närvaro av ett starkt magnetfält för att genomföra denna förändring. Detta görs ofta med mekaniska medel, till exempel att en turbin förflyttas av vind eller strömmande vatten.

••• pixabay

Likheter mellan magnetisk kraft och elektrisk kraft

Likheterna mellan magnetisk kraft och elektrisk kraft är många. Båda krafterna agerar på laddningar och har sitt ursprung i samma fenomen. Båda krafterna har jämförbara styrkor, såsom beskrivits ovan.

Elkraft på laddning q på grund av fält E ges av:

Vec {F} = q vec {E}

Den magnetiska kraften på laddning q rör sig med hastighet v på grund av fält B ges av Lorentz-kraftlagen:

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

En annan formulering av detta förhållande är:

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

Var jag är den nuvarande och L längden på ledningen eller den ledande banan i fältet.

Förutom de många likheterna mellan magnetisk kraft och elektrisk kraft finns det också några tydliga skillnader. Observera att magnetkraften inte kommer att påverka en stationär laddning (om v = 0, då F = 0) eller en laddning som rör sig parallellt med fältets riktning (vilket resulterar i en 0-korsprodukt), och i själva verket graden till vilken magnetkraftverkningarna varierar med vinkeln mellan hastigheten och fältet.

Förhållandet mellan elektricitet och magnetism

James Clerk Maxwell härledde en uppsättning av fyra ekvationer som sammanfattar förhållandet mellan elektricitet och magnetism matematiskt. Dessa ekvationer är följande:

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

Alla de fenomen som diskuterats tidigare kan beskrivas med dessa fyra ekvationer. Men ännu mer intressant är att efter deras härledning hittades en lösning på dessa ekvationer som inte verkade överensstämma med vad som tidigare var känt. Denna lösning beskrev en självförökande elektromagnetisk våg. Men när hastigheten för denna våg härleddes bestämdes den att vara:

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

Detta är ljusets hastighet!

Vilken betydelse har detta? Det visar sig att ljus, ett fenomen som forskare hade undersökt egenskaperna för under en lång tid, faktiskt var ett elektromagnetiskt fenomen. Detta är anledningen till att du idag ser det kallas elektromagnetisk strålning.

••• pixabay