Wat zijn 3 overeenkomsten tussen magneten en elektriciteit?

Inhoud

• 1 - Ze komen in twee tegengestelde rassen
• 2 - Hun relatieve sterkte vergeleken met andere strijdkrachten
• 3 - Elektriciteit en magnetisme zijn twee kanten van hetzelfde fenomeen
• Elektrische en magnetische velden
• Dus waar komt magnetisme echt vandaan?
• Huidige dragende draden creëren een magnetisch veld
• Maar hoe zit het met barmagneten? Waar komt hun magnetisme vandaan?
• Maar wacht, er is meer!
• Overeenkomsten tussen Magnetic Force en Electric Force
• Verband tussen elektriciteit en magnetisme

Elektrische en magnetische krachten zijn twee krachten die in de natuur worden gevonden. Hoewel ze op het eerste gezicht misschien anders lijken, zijn ze beide afkomstig uit velden die zijn geassocieerd met geladen deeltjes. De twee krachten hebben drie belangrijke overeenkomsten, en je moet meer leren over hoe deze fenomenen ontstaan.

1 - Ze komen in twee tegengestelde rassen

Kosten zijn er in positieve (+) en negatieve (-) variëteiten. De fundamentele positieve ladingsdrager is het proton en de negatieve ladingsdrager is het elektron. Beide hebben een lading van grootte e = 1.602 × 10^-19 Coulombs.

Tegenpolen trekken elkaar aan, en houden van afstoten; twee positieve ladingen bij elkaar geplaatst zullen dat doen afstoten, of ervaar een kracht die hen uit elkaar duwt. Hetzelfde geldt voor twee negatieve kosten. Een positieve en negatieve lading zullen dat wel doen aantrekken elkaar.

De aantrekkingskracht tussen positieve en negatieve ladingen maakt de meeste items elektrisch neutraal. Omdat er hetzelfde aantal positieve als negatieve ladingen in het universum is, en de aantrekkelijke en afstotende krachten zich gedragen zoals ze doen, hebben de ladingen de neiging om opheffen, of elkaar opheffen.

Magneten hebben op dezelfde manier noord- en zuidpolen. Twee magnetische noordpolen zullen elkaar afstoten, net als twee magnetische zuidpolen, maar een noordpool en een zuidpool zullen elkaar aantrekken.

Merk op dat een ander fenomeen dat u waarschijnlijk kent, zwaartekracht, niet zo is. Zwaartekracht is een aantrekkelijke kracht tussen twee massa's. Er is slechts één "type" massa. Het komt niet in positieve en negatieve varianten zoals elektriciteit en magnetisme. En dit soort massa is altijd aantrekkelijk en niet afstotelijk.

Er is echter een duidelijk verschil tussen magneten en ladingen in die zin dat magneten altijd als een dipool verschijnen. Dat wil zeggen, elke gegeven magneet zal altijd een noord- en zuidpool hebben. De twee polen kunnen niet worden gescheiden.

Een elektrische dipool kan ook worden gemaakt door een positieve en negatieve lading op een kleine afstand van elkaar te plaatsen, maar het is altijd mogelijk om deze ladingen opnieuw te scheiden. Als je je een staafmagneet met zijn noord- en zuidpool voorstelt, en je zou proberen hem in tweeën te snijden om een ​​afzonderlijke noord- en zuidpool te maken, zouden in plaats daarvan twee kleinere magneten zijn, beide met hun eigen noord- en zuidpool.

2 - Hun relatieve sterkte vergeleken met andere strijdkrachten

Als we elektriciteit en magnetisme vergelijken met andere krachten, zien we enkele duidelijke verschillen. De vier fundamentele krachten van het universum zijn de sterke, elektromagnetische, zwakke en zwaartekrachten. (Merk op dat elektrische en magnetische krachten worden beschreven door hetzelfde enkele woord - hierover later meer.)

Als we de sterke kracht - de kracht die nucleonen in een atoom bijeenhoudt - beschouwen als een grootte van 1, dan hebben elektriciteit en magnetisme een relatieve grootte van 1/137. De zwakke kracht - die verantwoordelijk is voor bèta-verval - heeft een relatieve grootte van 10^-6, en de zwaartekracht heeft een relatieve grootte van 6 × 10^-39.

Dat heb je goed gelezen. Het was geen typfout. De zwaartekracht is extreem suf in vergelijking met al het andere. Dit lijkt misschien tegenstrijdig - zwaartekracht is immers de kracht die planeten in beweging houdt en onze voeten op de grond houdt! Maar bedenk wat er gebeurt als je een paperclip met een magneet of een tissue met statische elektriciteit oppakt.

De kracht die de ene kleine magneet of statisch geladen voorwerp naar boven trekt, kan de zwaartekracht van de hele aarde tegengaan die aan de paperclip of het weefsel trekt! We denken dat zwaartekracht zoveel krachtiger is, niet omdat het zo is, maar omdat we de zwaartekracht hebben van een hele bol die altijd op ons inwerkt, terwijl ladingen en magneten zichzelf vanwege hun binaire aard vaak zo rangschikken dat ze geneutraliseerd.

3 - Elektriciteit en magnetisme zijn twee kanten van hetzelfde fenomeen

Als we beter kijken en elektriciteit en magnetisme echt vergelijken, zien we dat het op een fundamenteel niveau twee aspecten zijn van hetzelfde fenomeen, electromagnetisme. Laten we, voordat we dit fenomeen volledig beschrijven, een dieper begrip krijgen van de betrokken concepten.

Elektrische en magnetische velden

Wat is een veld? Soms is het handig om na te denken over iets dat meer bekend voorkomt. Zwaartekracht, zoals elektriciteit en magnetisme, is ook een kracht die een veld creëert. Stel je de regio van de ruimte rond de aarde voor.

Elke gegeven massa in de ruimte zal een kracht voelen die afhangt van de grootte van zijn massa en zijn afstand tot de aarde. We stellen ons dus voor dat de ruimte rond de aarde een bevat veld-, dat wil zeggen een waarde die is toegewezen aan elk punt in de ruimte die een indicatie geeft van hoe relatief groot en in welke richting een overeenkomstige kracht zou zijn. De grootte van het zwaartekrachtsveld een afstand r uit massa Mwordt bijvoorbeeld gegeven door de formule:

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

Waar G is de universele zwaartekrachtconstante 6.67408 × 10^-11 m³/ (Kg²). De richting die op een bepaald punt met dit veld is geassocieerd, zou een eenheidsvector zijn die naar het centrum van de aarde wijst.

Elektrische velden werken op dezelfde manier. De grootte van het elektrische veld een afstand r vanaf puntlading q wordt gegeven door de formule:

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

Waar k is de Coulomb-constante 8,99 × 10⁹ nm²/ C². De richting van dit veld op een bepaald punt is in de richting van de lading q als q is negatief en kosteloos q als q is positief.

Merk op dat deze velden een inverse kwadratische wet volgen, dus als je twee keer zo ver weg gaat, wordt het veld een kwart zo sterk. Om het elektrische veld te vinden dat wordt gegenereerd door verschillende puntladingen, of een continue verdeling van lading, zouden we eenvoudigweg de superpositie vinden of een integratie van de verdeling uitvoeren.

Magnetische velden zijn een beetje lastiger omdat magneten altijd als dipolen komen. Een grootte van het magnetische veld wordt vaak weergegeven door de letter Ben de exacte formule daarvoor is afhankelijk van de situatie.

Dus waar komt magnetisme echt vandaan?

De relatie tussen elektriciteit en magnetisme was pas enkele eeuwen na de eerste ontdekkingen van beide wetenschappers duidelijk. Enkele belangrijke experimenten die de interactie tussen de twee fenomenen hebben onderzocht, hebben uiteindelijk geleid tot het begrip dat we vandaag hebben.

Huidige dragende draden creëren een magnetisch veld

In de vroege jaren 1800 ontdekten wetenschappers voor het eerst dat een magnetische kompasnaald kon worden afgebogen wanneer deze in de buurt van een draadvoerende stroom wordt gehouden. Het blijkt dat een stroomvoerende draad een magnetisch veld creëert. Dit magnetische veld op een afstand r van een oneindig lange draadstroom ik wordt gegeven door de formule:

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

Waar μ₀ is de vacuümdoorlatendheid 4_π_ × 10^-7 N / A². De richting van dit veld wordt gegeven door de rechterhand regel - wijs de duim van uw rechterhand in de richting van de stroom en wikkel vervolgens uw vingers rond de draad in een cirkel die de richting van het magnetische veld aangeeft.

Deze ontdekking leidde tot de oprichting van elektromagneten. Stel je voor dat je een stroomvoerende draad neemt en deze in een spoel wikkelt. De richting van het resulterende magnetische veld zal lijken op het dipoolveld van een staafmagneet!

••• pixabay

Maar hoe zit het met barmagneten? Waar komt hun magnetisme vandaan?

Magnetisme in een staafmagneet wordt gegenereerd door de beweging van de elektronen in de atomen waaruit het bestaat. De bewegende lading in elk atoom creëert een klein magnetisch veld. In de meeste materialen zijn deze velden in alle richtingen georiënteerd, wat resulteert in geen significant netto magnetisme. Maar in bepaalde materialen, zoals ijzer, zorgt de materiaalsamenstelling ervoor dat deze velden allemaal op elkaar worden afgestemd.

Magnetisme is dus echt een manifestatie van elektriciteit!

Maar wacht, er is meer!

Het blijkt dat magnetisme niet alleen het gevolg is van elektriciteit, maar dat elektriciteit ook kan worden opgewekt door magnetisme. Deze ontdekking werd gedaan door Michael Faraday. Kort na de ontdekking dat elektriciteit en magnetisme gerelateerd waren, vond Faraday een manier om stroom te genereren in een draadspoel door het magnetische veld te variëren dat door het midden van de spoel ging.

De wet van Faraday stelt dat de in een spoel geïnduceerde stroom in een richting zal vloeien die zich verzet tegen de verandering die deze heeft veroorzaakt. Hiermee wordt bedoeld dat de geïnduceerde stroom in een richting zal vloeien die een magnetisch veld opwekt dat zich verzet tegen het veranderende magnetische veld dat het heeft veroorzaakt. In wezen probeert de geïnduceerde stroom eenvoudigweg veldveranderingen tegen te gaan.

Dus als het externe magnetische veld in de spoel wijst en vervolgens in omvang toeneemt, zal de stroom in een dergelijke richting vloeien om een ​​magnetisch veld uit de lus te creëren om deze verandering tegen te gaan. Als het externe magnetische veld in de spoel wijst en in grootte afneemt, zal de stroom in een dergelijke richting vloeien om een ​​magnetisch veld te creëren dat ook in de spoel wijst om de verandering tegen te gaan.

De ontdekking van Faraday leidde tot de technologie achter de hedendaagse stroomgeneratoren. Om elektriciteit op te wekken, moet er een manier zijn om het magnetische veld te variëren dat door een draadspiraal gaat. Je kunt je voorstellen dat je een draadspoel draait in de aanwezigheid van een sterk magnetisch veld om deze verandering te bewerkstelligen. Dit gebeurt vaak met mechanische middelen, zoals een turbine die wordt bewogen door wind of stromend water.

••• pixabay

Overeenkomsten tussen Magnetic Force en Electric Force

De overeenkomsten tussen magnetische kracht en elektrische kracht zijn veel. Beide krachten werken op beschuldigingen en hebben hun oorsprong in hetzelfde fenomeen. Beide krachten hebben vergelijkbare sterke punten, zoals hierboven beschreven.

Elektrische kracht op lading q vanwege veld E is gegeven door:

Vec {F} q = vec {E}

De magnetische kracht op lading q bewegen met snelheid v vanwege veld B wordt gegeven door de Lorentz Force Law:

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

Een andere formulering van deze relatie is:

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

Waar ik is de huidige en L de lengte van draad of geleidend pad in het veld.

Naast de vele overeenkomsten tussen magnetische kracht en elektrische kracht, zijn er ook enkele duidelijke verschillen. Merk op dat de magnetische kracht geen stationaire lading beïnvloedt (als v = 0, dan F = 0) of een lading die parallel aan de richting van het veld beweegt (wat resulteert in een 0 kruisproduct), en in feite de mate waarin de magnetische kracht varieert met de hoek tussen de snelheid en het veld.

Verband tussen elektriciteit en magnetisme

James Clerk Maxwell heeft een set van vier vergelijkingen afgeleid die de relatie tussen elektriciteit en magnetisme wiskundig samenvatten. Deze vergelijkingen zijn als volgt:

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

Alle eerder besproken fenomenen kunnen met deze vier vergelijkingen worden beschreven. Maar nog interessanter is dat na hun afleiding een oplossing voor deze vergelijkingen werd gevonden die niet consistent leek te zijn met wat eerder bekend was. Deze oplossing beschreef een zichzelf voortplantende elektromagnetische golf. Maar toen de snelheid van deze golf werd afgeleid, werd bepaald:

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

Dit is de snelheid van het licht!

Wat is de betekenis hiervan? Welnu, het blijkt dat licht, een fenomeen waar wetenschappers al geruime tijd de eigenschappen van onderzochten, eigenlijk een elektromagnetisch fenomeen was. Daarom zie je het tegenwoordig als electromagnetische straling.

••• pixabay