Зміст
- 1 - Вони бувають двох протилежних сортів
- 2 - їх відносна сила порівняно з іншими силами
- 3 - Електрика та магнетизм - дві сторони одного явища
- Електричні та магнітні поля
- То звідки насправді береться магнетизм?
- Поточні несучі дроти створюють магнітне поле
- А як щодо барних магнітів? Звідки береться їх магнетизм?
- Але чекай, є ще більше!
- Подібність між магнітною силою та електричною силою
- Зв'язок між електрикою та магнетизмом
Електричні та магнітні сили - це дві сили, виявлені в природі. Хоча на перший погляд вони можуть здаватися різними, вони обидва походять із полів, пов'язаних із зарядженими частинками. Дві сили мають три основні подібності, і вам слід дізнатися більше про те, як виникають ці явища.
1 - Вони бувають двох протилежних сортів
Збори нараховуються у позитивних (+) та негативних (-) різновидах. Основним носієм позитивного заряду є протон, а носієм негативного заряду є електрон. Обидва мають заряд величиною e = 1,660 × 10-19 Куломи.
Протилежності приваблюють і любить відштовхуватися; два позитивних заряди, розміщені поруч один з одним, будуть відштовхуватиабо випробувати силу, яка розсуває їх. Те саме стосується двох негативних зарядів. Позитивний і негативний заряд, однак, буде залучати один одного.
Залучення між позитивними та негативними зарядами - це те, що прагне зробити більшість предметів електрично нейтральними. Оскільки у Всесвіті є така ж кількість позитивних, як і негативні заряди, а привабливі та відштовхуючі сили діють так, як вони роблять, заряди, як правило, нейтралізуватиабо скасовувати один одного.
Магніти аналогічно мають північний і південний полюси. Два магнітні північні полюси будуть відштовхувати один одного, як і два магнітні південні полюси, але північний і південний полюси будуть притягувати один одного.
Зауважте, що інше, з яким ви, ймовірно, знайоме, гравітація, не таке. Гравітація - приваблива сила між двома масами. Існує лише один «тип» маси. Він не входить у такі позитивні та негативні різновиди, як електрика та магнетизм. І цей один тип маси завжди привабливий і не відштовхуючий.
Існує чітка різниця між магнітами і зарядами, однак у тому, що магніти завжди виступають як диполь. Тобто будь-який даний магніт завжди матиме північний і південний полюс. Два полюси не можна розділити.
Електричний диполь також можна створити, розмістивши позитивний і негативний заряд на деякій невеликій відстані, але завжди можна розділити ці заряди знову. Якщо ви уявляєте барний магніт з його північним і південним полюсами, і вам слід було спробувати розрізати його навпіл, щоб зробити окремий північ і південь, натомість у результаті вийде два менших магніти, як із власним північним, так і південним полюсами.
2 - їх відносна сила порівняно з іншими силами
Якщо порівнювати електрику та магнетизм з іншими силами, ми бачимо деякі чіткі відмінності. Чотири основні сили Всесвіту - це сильні, електромагнітні, слабкі та гравітаційні сили. (Зверніть увагу, що електричні та магнітні сили описуються одним і тим же словом - докладніше про це трохи.)
Якщо ми розглянемо сильну силу - силу, яка утримує нуклони всередині атома - величиною 1, то електрика та магнетизм мають відносну величину 1/137. Слабка сила - відповідальна за бета-розпад - має відносну величину 10-6, а гравітаційна сила має відносну величину 6 × 10-39.
Ви правильно це прочитали. Це не був помилковий помилок. Гравітаційна сила надзвичайно примхлива порівняно з усім іншим. Це може здатися протиінтуїтивним - адже гравітація - це сила, яка тримає планети в русі і тримає ноги на землі! Але подумайте, що станеться, коли ви візьмете скріпку з магнітом або тканину зі статичною електрикою.
Сила, що підтягує один маленький магніт або статично заряджений предмет, може протидіяти гравітаційній силі, що тягне за собою скріпку або тканину всієї Землі! Ми вважаємо, що гравітація є настільки сильнішою не тому, що вона є, а тому, що у нас гравітаційна сила цілої земної кулі діє на нас у будь-який час, тоді як, завдяки їхній бінарній природі, заряди і магніти часто влаштовують себе так, щоб вони були нейтралізується.
3 - Електрика та магнетизм - дві сторони одного явища
Якщо придивитись уважніше і по-справжньому порівнювати електрику і магнетизм, ми бачимо, що на фундаментальному рівні це два аспекти одного і того ж явища, званого електромагнетизм. Перш ніж ми повністю описаємо це явище, давайте глибше зрозуміти поняття.
Електричні та магнітні поля
Що таке поле? Іноді корисно подумати про щось, що здається більш звичним. Гравітація, як електрика і магнетизм - це також сила, яка створює поле. Уявіть область простору навколо Землі.
Будь-яка дана маса в космосі відчує силу, яка залежить від величини її маси та відстані від Землі. Отже, ми уявляємо, що простір навколо Землі містить a поле, тобто значення, присвоєне кожній точці простору, яке дає деяку вказівку на те, наскільки відносно великим і в якому напрямку буде відповідна сила. Величина гравітаційного поля відстань r від маси М, наприклад, задається формулою:
E = {GM вище {1pt} r ^ 2}Де Г є універсальною гравітаційною постійною 6.67408 × 10-11 м3/ (кг2). Напрямок, пов’язаний з цим полем у будь-якій заданій точці, був би одиничним вектором, що спрямований до центру Землі.
Електричні поля працюють аналогічно. Величина електричного поля відстань r від точкового заряду q задається формулою:
E = {kq вище {1pt} r ^ 2}Де к - кулонівська константа 8,99 × 109 Нм2/ С2. Напрямок цього поля в будь-якій заданій точці спрямований до заряду q якщо q є негативним і не зарядженим q якщо q є позитивним.
Зауважте, що ці поля підкоряються закону зворотного квадрата, тому якщо ви рухаєтеся вдвічі більше, поле стає на чверть сильнішим. Щоб знайти електричне поле, породжене кількома точковими зарядами, або безперервним розподілом заряду, ми просто знайдемо суперпозицію або виконаємо інтеграцію розподілу.
Магнітні поля трохи складніші, оскільки магніти завжди надходять як диполі. Величину магнітного поля часто представляють буквою Б, а точна формула для нього залежить від ситуації.
То звідки насправді береться магнетизм?
Взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом не був очевидним вченим до декількох століть після первинних відкриттів кожного. Деякі ключові експерименти, що досліджують взаємодію двох явищ, врешті-решт привели до розуміння, яке ми маємо сьогодні.
Поточні несучі дроти створюють магнітне поле
На початку 1800-х вчені вперше виявили, що голка магнітного компаса може бути відхилена, якщо утримуватися біля проводу, що несе струм. Виявляється, що струм, що несе струм, створює магнітне поле. Це магнітне поле відстань r з нескінченно довгого проводу, що несе струм Я задається формулою:
B = { mu_0 I вище {1pt} 2 pi r}Де μ0 - вакуумна проникність 4_π_ × 10-7 Не застосовується2. Напрямок цього поля задається знаком правило правої руки - наведіть великий палець правої руки у напрямку струму, а потім пальці обмотайте дріт по колу, що вказує напрямок магнітного поля.
Це відкриття призвело до створення електромагнітів. Уявіть, як взяти струм, що несе струм, і загорнути його в котушку. Напрямок отриманого магнітного поля буде схожий на дипольне поле барного магніту!
••• pixabayА як щодо барних магнітів? Звідки береться їх магнетизм?
Магнетизм в барному магніті породжується рухом електронів в атомах, що їх складають. Рухомий заряд у кожному атомі створює невелике магнітне поле. У більшості матеріалів ці поля орієнтовані в будь-який бік, що не призводить до суттєвого чистого магнетизму. Але в деяких матеріалах, таких як залізо, склад матеріалу дозволяє ці поля вирівнятись.
Тож магнетизм - це справді прояв електрики!
Але чекай, є ще більше!
Виявляється, магнетизм виникає не тільки від електрики, але і від магнетизму. Це відкриття зробив Майкл Фарадей. Незабаром після відкриття, що електрика і магнетизм пов'язані, Фарадей знайшов спосіб генерувати струм у котушці дроту, змінюючи магнітне поле, що проходить через центр котушки.
Закон Фарадея стверджує, що струм, індукований в котушці, буде текти в напрямку, що протистоїть зміні, яка її викликала. Під цим розуміється те, що індукований струм буде текти в напрямку, що генерує магнітне поле, що протистоїть мінливому магнітному полі, яке його спричинило. По суті, індукований струм просто намагається протидіяти будь-яким змінам поля.
Отже, якщо зовнішнє магнітне поле спрямоване на котушку, а потім збільшується на величину, струм буде текти в такому напрямку, щоб створити магнітне поле, що вказує на петлю, щоб протидіяти цій зміні. Якщо зовнішнє магнітне поле спрямоване на котушку і зменшується на величину, то струм буде текти в такому напрямку, щоб створити магнітне поле, яке також вказує на котушку, щоб протидіяти зміні.
Відкриття Фарадея призвело до технології, яка стоїть за сучасними генераторами електроенергії. Щоб виробляти електроенергію, повинен бути спосіб варіювати магнітне поле, що проходить через котушку дроту. Ви можете уявити, як повернути дротяну котушку за наявності сильного магнітного поля, щоб ввести в дію цю зміну. Це часто робиться механічними засобами, наприклад, як турбіна рухається вітром або проточною водою.
••• pixabayПодібність між магнітною силою та електричною силою
Подібності між магнітною силою та електричною силою багато. Обидві сили діють на зарядах і мають своє походження в одному явищі. Обидві сили мають порівнянні сили, як описано вище.
Електрична сила на зарядку q за рахунок поля Е задається:
vec {F} = q vec {E}Магнітна сила на зарядку q рухається зі швидкістю v за рахунок поля Б задається силовим законом Лоренца:
vec {F} = q vec {v} раз vec {B}Іншим формулюванням цього взаємозв'язку є:
vec {F} = vec {I} L times vec {B}Де Я є струм і L довжина дроту або провідний шлях у полі.
Окрім безлічі подібностей між магнітною силою та електричною силою, є також деякі відмінності. Зауважте, що магнітна сила не вплине на нерухомий заряд (якщо v = 0, тоді F = 0) або заряд, що рухається паралельно напрямку поля (в результаті чого добуток перехрестя 0), а фактично на ступінь, до якого дія магнітної сили змінюється залежно від кута між швидкістю та полем.
Зв'язок між електрикою та магнетизмом
Джеймс Клерк Максвелл вивів набір із чотирьох рівнянь, які математично узагальнюють взаємозв'язок між електрикою та магнетизмом. Ці рівняння такі:
трикутник cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} {} трикутник cdot vec {B} = 0 {} трикутник раз vec {E} = - dfrac { част vec {B}} { частковий t} {} трикутник раз vec {B} = mu_0 vec {J} + mu_0 epsilon_0 dfrac { част vec {E}} { частковий t}Усі розглянуті раніше явища можна описати цими чотирма рівняннями. Але ще цікавіше те, що після їх виведення було знайдено рішення цих рівнянь, яке не здавалося б відповідним тому, що було відомо раніше. У цьому рішенні описано саморозмножувальну електромагнітну хвилю. Але коли була виведена швидкість цієї хвилі, було визначено:
dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299,792,485 м / сЦе швидкість світла!
Яке значення цього має? Ну, виявляється, що світло, явище, яке вчені досліджували властивості досить давно, було насправді електромагнітним явищем. Ось чому сьогодні ви бачите це електромагнітне випромінювання.
