Care sunt 3 asemănări între magneți și electricitate?

Conţinut

• 1 - Ei vin în două varietăți opuse
• 2 - Forța lor relativă în comparație cu alte forțe
• 3 - Electricitatea și magnetismul sunt două fețe ale aceluiași fenomen
• Câmpuri electrice și magnetice
• Deci, de unde vine într-adevăr magnetismul?
• Cablurile care transportă curent Creați un câmp magnetic
• Dar despre magneții de bară? De unde vine magnetismul lor?
• Dar stai, există mai multe!
• Asemănări între forța magnetică și forța electrică
• Relația dintre electricitate și magnetism

Forțele electrice și magnetice sunt două forțe care se regăsesc în natură. În timp ce la prima vedere pot părea diferite, ambele provin din câmpuri asociate cu particule încărcate. Cele două forțe au trei asemănări principale și ar trebui să aflați mai multe despre cum apar aceste fenomene.

1 - Ei vin în două varietăți opuse

Taxele sunt pentru soiuri pozitive (+) și negative (-). Purtătorul de sarcină pozitivă fundamentală este protonul, iar purtătorul de sarcină negativă este electronul. Ambele au o sarcină de magnitudine e = 1.602 × 10^-19 Coulombi.

Opozanții atrag și îi plac repulsia; două sarcini pozitive plasate unul lângă celălalt vor respingesau experimentați o forță care îi împinge în afară. Același lucru este valabil și pentru două taxe negative. O încărcare pozitivă și una negativă, totuși a atrage fiecare.

Atracția dintre sarcinile pozitive și cele negative este ceea ce tinde să facă cele mai multe elemente neutre din punct de vedere electric. Deoarece există același număr de sarcini pozitive ca și negative în univers, iar forțele atrăgătoare și repulsive acționează așa cum fac, sarcinile tind să neutralizasau să vă anulați reciproc.

Magneții, în mod similar, au poli nord și sud. Doi poli nordici magnetici se vor respinge reciproc, la fel ca doi poli sudici magnetici, dar un pol nord și un pol sud se vor atrage unul pe celălalt.

Rețineți că un alt fenomen pe care probabil îl cunoști, gravitația, nu este așa. Gravitatea este o forță atractivă între două mase. Există un singur tip de masă. Nu intră în soiuri pozitive și negative, cum ar fi electricitatea și magnetismul. Iar acest tip de masă este întotdeauna atractiv și nu respinge.

Există o diferență distinctă între magneți și sarcini, însă, în aceea că magneții apar întotdeauna ca dipoli. Adică orice magnet dat va avea întotdeauna un pol nord și sud. Cei doi poli nu pot fi separați.

Un dipol electric poate fi, de asemenea, creat prin plasarea unei încărcări pozitive și negative la o distanță mică de distanță, dar este întotdeauna posibil să separe din nou aceste sarcini. Dacă vă imaginați un magnet cu bare cu poli și nord și sud și ați încerca să-l tăiați pe jumătate pentru a face un nord și un sud separat, în schimb rezultatul ar fi doi magneți mai mici, ambii cu propriii poli nordici și sudici.

2 - Forța lor relativă în comparație cu alte forțe

Dacă comparăm electricitatea și magnetismul cu alte forțe, vedem câteva diferențe distincte. Cele patru forțe fundamentale ale universului sunt forțele puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. (Rețineți că forțele electrice și magnetice sunt descrise prin același cuvânt - mai mult pe acest aspect.)

Dacă considerăm că forța puternică - forța care ține nucleonii împreună în interiorul unui atom - să aibă o magnitudine de 1, atunci electricitatea și magnetismul au o magnitudine relativă de 1/137. Forța slabă - care este responsabilă de descompunerea beta - are o magnitudine relativă de 10^-6, iar forța gravitațională are o magnitudine relativă de 6 × 10^-39.

Ai citit asta. Nu a fost o dactilografie. Forța gravitațională este extrem de înfocată în comparație cu orice altceva. Acest lucru poate părea contraintuitiv - până la urmă gravitația este forța care menține planetele în mișcare și ne ține picioarele pe pământ! Dar luați în considerare ce se întâmplă atunci când ridicați o hârtie cu un magnet sau un țesut cu electricitate statică.

Forța care atrage un mic magnet sau obiect încărcat static poate contracara forța gravitațională a întregului Pământ care trage pe clipul de hârtie sau pe țesut! Credem că gravitația este mult mai puternică nu pentru că este, ci pentru că avem forța gravitațională a unui întreg glob care acționează asupra noastră în orice moment, în timp ce, datorită naturii lor binare, sarcinile și magneții se aranjează adesea astfel încât să fie neutralizat.

3 - Electricitatea și magnetismul sunt două fețe ale aceluiași fenomen

Dacă privim mai îndeaproape și comparăm cu adevărat energia electrică și magnetismul, vedem că la nivel fundamental sunt două aspecte ale aceluiași fenomen numit electromagnetism. Înainte de a descrie pe deplin acest fenomen, permiteți o înțelegere mai profundă a conceptelor implicate.

Câmpuri electrice și magnetice

Ce este un câmp? Uneori este util să ne gândim la ceva care pare mai familiar. Gravitatea, ca și electricitatea și magnetismul, este de asemenea o forță care creează un câmp. Imaginați-vă regiunea spațiului din jurul Pământului.

Orice masă dată în spațiu va simți o forță care depinde de mărimea masei sale și de distanța sa de Pământ. Deci ne imaginăm că spațiul din jurul Pământului conține o camp, adică o valoare atribuită fiecărui punct din spațiu care oferă unele indicații despre cât de mare și în ce direcție ar fi o forță corespunzătoare. Mărimea câmpului gravitațional o distanță r din masă M, de exemplu, este dată de formula:

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

Unde G este constantă gravitațională universală 6.67408 × 10^-11 m³/ (kgs²). Direcția asociată cu acest câmp la orice punct dat ar fi un vector unitar îndreptat spre centrul Pământului.

Câmpurile electrice funcționează în același mod. Mărimea câmpului electric la o distanță r din punct de încărcare q este dată de formula:

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

Unde k este constanta Coulomb 8,99 × 10⁹ nm²/ C². Direcția acestui câmp la orice punct dat este spre încărcare q dacă q este negativ, și departe de încărcare q dacă q este pozitiv.

Rețineți că aceste câmpuri respectă o lege pătrată inversă, deci dacă vă deplasați de două ori mai departe, câmpul devine un sfert mai puternic. Pentru a găsi câmpul electric generat de mai multe sarcini punctuale sau o distribuție continuă a sarcinii, pur și simplu am găsi superpoziția sau am realiza o integrare a distribuției.

Câmpurile magnetice sunt puțin mai complicate, deoarece magneții vin întotdeauna ca dipoli. Mărimea câmpului magnetic este adesea reprezentată de literă B, iar formula exactă pentru aceasta depinde de situație.

Deci, de unde vine într-adevăr magnetismul?

Relația dintre electricitate și magnetism nu a fost evidentă pentru oamenii de știință decât după câteva secole de la descoperirile inițiale ale fiecăruia. Unele experimente cheie care explorează interacțiunea dintre cele două fenomene au dus în cele din urmă la înțelegerea pe care o avem astăzi.

Cablurile care transportă curent Creați un câmp magnetic

La începutul anilor 1800, oamenii de știință au descoperit pentru prima dată că un ac magnetic al busolei ar putea fi deviat atunci când este ținut lângă un curent de sârmă. Se dovedește că un fir de transport curent creează un câmp magnetic. Acest câmp magnetic la distanță r dintr-un fir de transport infinit de lung eu este dată de formula:

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

Unde μ₀ este permeabilitatea în vid 4_π_ × 10^-7 N / A². Direcția acestui câmp este dată de regula mâinii drepte - îndreptați degetul mare al mâinii drepte în direcția curentului, apoi degetele se înfășoară în jurul sârmei într-un cerc care indică direcția câmpului magnetic.

Această descoperire a dus la crearea electromagnetilor. Imaginați-vă că luați un fir care transportă curent și îl înfășurați într-o bobină. Direcția câmpului magnetic rezultat va arăta ca câmpul dipol al unui magnet de bare!

••• pixabay

Dar despre magneții de bară? De unde vine magnetismul lor?

Magnetismul într-un magnet cu bare este generat de mișcarea electronilor din atomii care îl compun. Sarcina în mișcare în fiecare atom creează un câmp magnetic mic. În majoritatea materialelor, aceste câmpuri sunt orientate în fiecare mod, rezultând un magnetism net net semnificativ. Dar în anumite materiale, cum ar fi fierul, compoziția materialelor permite alinierea acestor câmpuri.

Așadar, magnetismul este o manifestare a electricității!

Dar stai, există mai multe!

Se dovedește că magnetismul nu numai că rezultă din electricitate, dar energia electrică poate fi generată de magnetism. Această descoperire a fost făcută de Michael Faraday. La scurt timp după descoperirea faptului că energia electrică și magnetismul erau legate, Faraday a găsit o modalitate de a genera curent într-o bobină de sârmă, modificând câmpul magnetic care trece prin centrul bobinei.

Legea lui Faraday afirmă că curentul indus într-o bobină va curge într-o direcție care se opune schimbării care a provocat-o. Ceea ce se înțelege prin aceasta este că curentul indus va curge într-o direcție care generează un câmp magnetic care se opune câmpului magnetic în schimbare care l-a provocat. În esență, curentul indus încearcă pur și simplu să contracareze orice modificări de câmp.

Deci, dacă câmpul magnetic extern este îndreptat către bobină și apoi crește în mărime, curentul va curge într-o astfel de direcție pentru a crea un câmp magnetic îndreptat în afara buclei pentru a contracara această schimbare. Dacă câmpul magnetic extern este îndreptat către bobină și scade în mărime, atunci curentul va curge într-o astfel de direcție pentru a crea un câmp magnetic care se îndreaptă și în bobină pentru a contracara schimbarea.

Descoperirea lui Faraday a dus la tehnologia din spatele generatoarelor de energie de astăzi. Pentru a genera energie electrică, trebuie să existe o modalitate de a varia câmpul magnetic care trece printr-o bobină de sârmă. Vă puteți imagina transformarea unei bobine de sârmă în prezența unui câmp magnetic puternic pentru a efectua această schimbare. Acest lucru se realizează adesea cu mijloace mecanice, cum ar fi o turbină care este deplasată de vânt sau de apă curgătoare.

••• pixabay

Asemănări între forța magnetică și forța electrică

Asemănările dintre forța magnetică și forța electrică sunt multe. Ambele forțe acționează sub acuzații și își au originea în același fenomen. Ambele forțe au puteri comparabile, așa cum este descris mai sus.

Forța electrică la încărcare q datorită câmpului E este dat de:

Vec {F} = q vec {E}

Forța magnetică la încărcare q mișcându-se cu viteză v datorită câmpului B este dat de legea forței Lorentz:

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

O altă formulare a acestei relații este:

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

Unde eu este curentul și L lungimea firului sau a traseului conductor în câmp.

Pe lângă numeroasele asemănări dintre forța magnetică și forța electrică, există și unele diferențe distincte. Rețineți că forța magnetică nu va afecta o încărcare staționară (dacă v = 0, atunci F = 0) sau o încărcare care se deplasează paralel cu direcția câmpului (ceea ce duce la un produs încrucișat) și, de fapt, gradul în care forța magnetică acționează variază cu unghiul dintre viteză și câmp.

Relația dintre electricitate și magnetism

James Clerk Maxwell a derivat un set de patru ecuații care rezumă matematic relația dintre electricitate și magnetism. Aceste ecuații sunt următoarele:

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

Toate fenomenele discutate anterior pot fi descrise cu aceste patru ecuații. Dar și mai interesant este că, după derivarea lor, s-a găsit o soluție la aceste ecuații care nu părea în concordanță cu ceea ce se știa anterior. Această soluție a descris o undă electromagnetică autopropagabilă. Dar când viteza acestui val a fost determinată, a fost determinată să fie:

dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299.792.485 m / s

Aceasta este viteza luminii!

Care este semnificația acestui lucru? Ei bine, se dovedește că lumina, un fenomen de care oamenii de știință explorează proprietățile de ceva timp, era de fapt un fenomen electromagnetic. Acesta este motivul pentru care astăzi îl vedeți denumit radiatie electromagnetica.

••• pixabay