Koje su 3 sličnosti između magneta i električne energije?

Sadržaj

• 1 - dolaze u dvije suprotne vrste
• 2 - Njihova relativna snaga u usporedbi s drugim silama
• 3 - Električna energija i magnetizam dvije su strane istog fenomena
• Električna i magnetska polja
• Pa odakle zapravo dolazi magnetizam?
• Trenutne žice za nošenje stvaraju magnetsko polje
• Ali što je s magnetima za bar? Odakle dolazi njihov magnetizam?
• Ali čekaj, ima još!
• Sličnosti između magnetske sile i električne sile
• Odnos između električne energije i magnetizma

Električne i magnetske sile dvije su sile koje se nalaze u prirodi. Iako se na prvi pogled mogu činiti različitima, obojica potječu iz polja koja su povezana sa nabijenim česticama. Dvije sile imaju tri glavne sličnosti, a trebali biste naučiti više o tome kako nastaju ove pojave.

1 - dolaze u dvije suprotne vrste

Naplata dolazi u pozitivnim (+) i negativnim (-) varijantama. Temeljni nosač pozitivnog naboja je proton, a nosilac negativnog naboja je elektron. Oboje imaju naboj veličine e = 1.602 × 10^-19 Coulombs.

Suprotnosti privlače, a voli odbiti; dva pozitivna naboja postavljena jedan blizu drugoga će otjeratiili iskusiti silu koja ih razdvaja. Isto vrijedi i za dva negativna naboja. Pozitivan i negativan naboj, međutim, hoće privući jedni druge.

Privlačenje između pozitivnih i negativnih naboja ono je što teži da većina predmeta postane električno neutralna. Budući da u svemiru postoji isti broj pozitivnih kao negativni naboji, a privlačne i odbojne sile djeluju na način na koji djeluju, naboji imaju tendenciju da neutraliziratiili otkazati jedno drugo.

Magneti, slično, imaju sjeverni i južni pol. Dva magnetska sjeverna pola međusobno će se odbijati kao i dva magnetska južna pola, ali sjeverni i južni pol privlačit će jedan drugoga.

Napominjemo da još jedan fenomen koji ste vjerojatno upoznati, gravitacija, nije takav. Gravitacija je privlačna sila između dviju masa. Postoji samo jedan "tip" mase. Ne dolazi u pozitivnim i negativnim sortama poput električne energije i magnetizma. A ova jedna vrsta mase uvijek je privlačna i nije odbojna.

Između magneta i naboja postoji razlika između toga što se magneti uvijek pojavljuju kao dipol. Odnosno, svaki dani magnet uvijek će imati sjeverni i južni pol. Dva pola ne mogu se razdvojiti.

Električni dipol može se stvoriti i postavljanjem pozitivnog i negativnog naboja na malo udaljene razdaljine, ali uvijek je moguće ponovno razdvojiti te naboje. Ako zamislite magnet sa svojim sjevernim i južnim polovima, i pokušali biste ga prerezati na pola kako biste napravili zasebni sjeverni i južni, umjesto toga bi bila dva manja magneta, oba sa svojim sjevernim i južnim polovima.

2 - Njihova relativna snaga u usporedbi s drugim silama

Usporedimo li električnu energiju i magnetizam s drugim silama, vidjet ćemo neke različite razlike. Četiri temeljne sile svemira su snažne, elektromagnetske, slabe i gravitacijske sile. (Imajte na umu da električne i magnetske sile opisuju jedna te ista riječ - detaljnije o ovome.)

Ako uzmemo u obzir da snažna sila - sila koja drži nukleone zajedno u atomu - ima magnitudu 1, tada električna energija i magnetizam imaju relativnu magnitudu 1/137. Slaba sila - koja je odgovorna za beta raspadanje - ima relativno 10^-6, a gravitaciona sila ima relativnu magnitudu od 6 × 10^-39.

Dobro ste pročitali. To nije bila pogreška. Gravitaciona sila je izrazito škakljiva u usporedbi sa svim ostalim. To se može činiti kontratuktivnim - uostalom, gravitacija je sila koja održava planete u pokretu i drži naše noge na zemlji! Ali razmislite što se događa kad uzmete papirnati klip s magnetom ili tkivom statičkog elektriciteta.

Sila koja povlači jedan mali magnet ili statički nabijeni predmet može suprotstaviti gravitacijsku silu cijele Zemlje koja se povlači za spajalicu ili tkivo! Smatramo da je gravitacija toliko snažnija, ne zato što jest, već zato što imamo gravitacijsku silu čitavog globusa koji djeluje na nas u svakom trenutku dok se, zbog svoje binarne prirode, naboji i magneti često raspoređuju tako da budu neutraliziran.

3 - Električna energija i magnetizam dvije su strane istog fenomena

Ako pobliže pogledamo i stvarno usporedimo elektricitet i magnetizam, vidjet ćemo da su na temeljnoj razini dva aspekta istog fenomena tzv. elektromagnetizam, Prije nego što u potpunosti opišemo ovaj fenomen, omogućujemo dublje razumijevanje uključenih koncepata.

Električna i magnetska polja

Što je polje? Ponekad je korisno razmisliti o nečemu što se čini poznatijim. Gravitacija, poput električne energije i magnetizma, također je sila koja stvara polje. Zamislite područje prostora oko Zemlje.

Svaka dana masa u svemiru osjetit će silu koja ovisi o veličini njene mase i udaljenosti od Zemlje. Stoga zamislimo da prostor oko Zemlje sadrži polje, tj. vrijednost dodijeljena svakoj točki u prostoru koja daje određenu naznaku koliko bi bila relativno velika iu kojem bi smjeru bila odgovarajuća sila. Jačina gravitacijskog polja udaljenost r od mise M, daje, na primjer, formula:

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

Gdje G je univerzalna gravitaciona konstanta 6,67408 × 10^-11 m³/ (kg²). Smjer povezan s ovim poljem u bilo kojoj točki bio bi jedinični vektor koji je usmjeren prema središtu Zemlje.

Električna polja djeluju na isti način. Veličina električnog polja udaljenost r od punkta q se daje formulom:

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

Gdje k je Coulomb konstanta 8,99 × 10⁹ nm²/ C², Smjer ovog polja u bilo kojoj određenoj točki je prema naboju q ako q je negativan i dalje od naboja q ako q je pozitivan.

Imajte na umu da se ta polja pridržavaju zakona obrnutog kvadrata, tako da ako se pomaknete dvostruko dalje, polje postaje jako za četvrtinu. Da bismo pronašli električno polje generirano od nekoliko točkastih naboja ili kontinuiranom raspodjelom naboja, jednostavno bismo pronašli superpoziciju ili izveli integraciju distribucije.

Magnetska polja su malo zamršenija jer magneti uvijek dolaze kao dipoli. Veličina magnetskog polja često je predstavljena slovom B, a točna formula za to ovisi o situaciji.

Pa odakle zapravo dolazi magnetizam?

Veza između električne energije i magnetizma nije bila vidljiva znanstvenicima nekoliko stoljeća nakon početnih otkrića svakog od njih. Neki ključni eksperimenti koji istražuju interakciju dvaju fenomena na kraju su doveli do razumijevanja koje danas imamo.

Trenutne žice za nošenje stvaraju magnetsko polje

Početkom 1800-ih znanstvenici su prvi otkrili da se igla magnetskog kompasa može odbiti ako se drži u blizini žice koja nosi struju. Ispada da žica koja nosi struju stvara magnetsko polje. To magnetsko polje je udaljenost r od beskonačno duge žice koja nosi struju ja se daje formulom:

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

Gdje μ₀ je propusnost vakuuma 4_π_ × 10^-7 N / A², Smjer ovog polja je dan s pravilo desne ruke - usmjerite palac desne ruke u smjeru struje, a zatim prstima omotajte žicu u krug koji označava smjer magnetskog polja.

Ovo otkriće dovelo je do stvaranja elektromagneta. Zamislite da uzmete strujnu nosivu žicu i umotate je u zavojnicu. Smjer rezultirajućeg magnetskog polja izgledat će poput dipolnog polja magnetskog stupa!

••• pixabay

Ali što je s magnetima za bar? Odakle dolazi njihov magnetizam?

Magnetizam u magnetu bar nastaje gibanjem elektrona u atomima koji ga čine. Pomični naboj u svakom atomu stvara malo magnetsko polje. U većini su materijala ta polja orijentirana na svaki način, što ne rezultira značajnim neto magnetizmom. Ali u određenim materijalima, kao što je željezo, sastav materijala omogućuje da se ta polja poravnaju.

Dakle, magnetizam je zaista manifestacija električne energije!

Ali čekaj, ima još!

Ispada da magnetizam ne samo da proizlazi iz električne energije, nego se može dobiti i magnetizam. To je otkriće učinio Michael Faraday. Ubrzo nakon otkrića da su elektricitet i magnetizam povezani, Faraday je pronašao način da generiše struju u zavojnici žice promjenom magnetskog polja koje prolazi kroz središte zavojnice.

Faradayev zakon kaže da će struja inducirana u zavojnici teći u smjeru koji se suprotstavlja promjeni koja ju je izazvala. Pod tim se podrazumijeva da će inducirana struja teći u smjeru koji stvara magnetsko polje koje se suprotstavlja promjenjivom magnetskom polju koje ju je uzrokovalo. U biti, inducirana struja jednostavno pokušava suzbiti bilo kakve promjene polja.

Dakle, ako vanjsko magnetsko polje usmjeri u zavojnicu, a zatim se poveća po jačini, struja će teći u takvom smjeru da bi stvorila magnetsko polje usmjereno izvan petlje kako bi se suprotstavilo toj promjeni. Ako je vanjsko magnetsko polje usmjereno u zavojnicu i smanjuje se po jačini, tada će struja teći u takvom smjeru da bi se stvorilo magnetsko polje koje također upućuje na zavojnicu kako bi spriječilo promjenu.

Otkrivanje Faradaya dovelo je do tehnologije koja stoji iza današnjih proizvođača električne energije. Da bi se proizvela električna energija, mora postojati način za promjenu magnetskog polja koja prolazi kroz zavojnicu žice. Možete zamisliti okretanje žičane zavojnice u prisustvu jakog magnetskog polja kako bi se ova promjena ostvarila. To se često radi mehaničkim sredstvima, poput turbine koju pokreće vjetar ili tekuća voda.

••• pixabay

Sličnosti između magnetske sile i električne sile

Sličnosti između magnetske i električne sile su mnoge. Obje sile djeluju na naboje i imaju svoje porijeklo u istoj pojavi. Obje sile imaju usporedive snage, kao što je gore opisano.

Električna sila na punjenje q zbog polja E daje:

Vektorski {F} = q vektorski {E}

Magnetska sila na naboju q krećući se brzinom v zbog polja B daje Lorentzov zakon zakona:

vektorski {F} = q vektorski {v} puta vektorski {B}

Druga formulacija ovog odnosa je:

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

Gdje ja je struja i L duljina žice ili vodljivi put u polju.

Osim mnogih sličnosti između magnetske i električne sile, postoje i neke različite razlike. Imajte na umu da magnetska sila neće utjecati na stacionarni naboj (ako je v = 0, tada je F = 0) ili naboj koji se kreće paralelno s pravcem polja (što rezultira križnim proizvodom 0), a zapravo na stupanj do kojeg djeluje magnetska sila varira s kutom između brzine i polja.

Odnos između električne energije i magnetizma

James Clerk Maxwell izveo je skup od četiri jednadžbe koji matematički sažimaju odnos između električne energije i magnetizma. Te jednadžbe su sljedeće:

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

Sve gore spomenute pojave mogu se opisati pomoću ove četiri jednadžbe. No, još je zanimljivije da je nakon njihovog izvlačenja nađeno rješenje za ove jednadžbe koje nisu izgledale u skladu s onim što je ranije bilo poznato. Ovo rješenje opisuje samopromočujući elektromagnetski val. Ali kada je izvedena brzina ovog vala, određeno je:

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

Ovo je brzina svjetlosti!

Koji je značaj ovoga? Pa, ispada da je svjetlost, fenomen koji su znanstvenici istraživali već dugo vremena, zapravo elektromagnetski fenomen. To je razlog zašto danas to vidite elektromagnetska radijacija.

••• pixabay