Sisu
- 1 - neid on kahes vastandlikus sordis
- 2 - nende suhteline tugevus võrreldes teiste jõududega
- 3 - elekter ja magnetism on sama fenomeni kaks külge
- Elektri- ja magnetväljad
- Kust siis magnetism päriselt pärineb?
- Praegused kantavad juhtmed loovad magnetvälja
- Aga kuidas on baarimagnetitega? Kust tuleb nende magnetism?
- Kuid oodake, seal on veel midagi!
- Magnetjõu ja elektrijõu sarnasused
- Elektrienergia ja magnetismi seos
Elektri- ja magnetjõud on kaks looduses leiduvat jõudu. Ehkki esmapilgul võivad need tunduda erinevad, pärinevad nad mõlemad laetud osakestega seotud väljadest. Neil kahel jõul on kolm peamist sarnasust ja te peaksite rohkem tundma õppima, kuidas need nähtused tekivad.
1 - neid on kahes vastandlikus sordis
Tasud on positiivsete (+) ja negatiivsete (-) sortidega. Põhiline positiivse laengu kandja on prooton ja negatiivse laengu kandja on elektron. Mõlema laengu suurus on e = 1,602 × 10-19 Coulombs.
Vastandid meelitavad ja neile meeldib tõrjuda; kaks üksteise lähedal asetatud positiivset laengut saavad tõrjumavõi kogeda jõudu, mis neid lahutab. Sama kehtib kahe negatiivse laengu kohta. Positiivne ja negatiivne laeng aga saavad meelitada üksteist.
Atraktiivsus positiivsete ja negatiivsete laengute vahel on see, mis muudab enamiku esemete elektriliselt neutraalseks. Kuna universumis on sama palju positiivseid kui negatiivseid laendeid ning atraktiivsed ja tõrjuvad jõud tegutsevad nii, nagu nad seda teevad, kipuvad laengud neutraliseeridavõi tühistage üksteist.
Magnetidel on sarnaselt põhja- ja lõunapoolused. Kaks magnetilist põhjapoolust tõrjuvad üksteist, nagu ka kaks magnetilist lõunapoolust, kuid põhjapoolus ja lõunapoolus tõmbavad üksteist.
Pange tähele, et teine nähtus, millega olete tõenäoliselt tuttav, raskusaste, pole selline. Gravitatsioon on atraktiivne jõud kahe massi vahel. Masu on ainult üks “tüüp”. See ei sisalda positiivseid ega negatiivseid variante, nagu näiteks elekter ja magnetism. Ja see üks massi tüüp on alati atraktiivne ja mitte eemaletõukav.
Magnetite ja laengute vahel on siiski selge erinevus, kuna magnetid esinevad alati dipoolina. See tähendab, et igal antud magnetil on alati põhja- ja lõunapoolus. Neid kahte poolust ei saa lahutada.
Elektrilise dipooli saab luua ka positiivse ja negatiivse laengu paigutamisega väikeste vahedega, kuid alati on võimalik need laengud uuesti eraldada. Kui kujutate ette baarimagneti koos selle põhja- ja lõunapoolustega ning peaksite proovima seda pooleks lõigata, et teha eraldi põhja- ja lõunapoolus, oleks tulemuseks hoopis kaks väiksemat magneti, mõlemal oma põhja- ja lõunapoolus.
2 - nende suhteline tugevus võrreldes teiste jõududega
Kui võrrelda elektrienergiat ja magnetismi teiste jõududega, näeme selgeid erinevusi. Universumi neli põhijõudu on tugevad, elektromagnetilised, nõrgad ja gravitatsioonilised jõud. (Pange tähele, et elektrilisi ja magnetjõude kirjeldatakse ühe ja sama sõnaga - sellest pisut lähemalt.)
Kui arvestada tugeva jõu - jõu, mis hoiab tuumades aatomi sees - tugevust 1, siis elektri ja magnetismi suhteline suurusjärk on 1/137. Beeta lagunemise eest vastutava nõrga jõu suhteline suurusjärk on 10-6, ja gravitatsioonijõu suhteline suurusjärk on 6 × 10-39.
Sa lugesid seda õigust. See ei olnud kirjaviga. Gravitatsioonijõud on kõige muuga võrreldes eriti nutikas. See võib tunduda vastuoluline - lõppude lõpuks on gravitatsioon jõud, mis hoiab planeete liikumises ja hoiab meie jalgu maapinnal! Kuid mõelge, mis juhtub, kui korjate magnetiga kirjaklambri või staatilise elektriga koe.
Ühest väikesest magneti või staatiliselt laetud eseme üles tõmbav jõud võib neutraliseerida kogu Maa gravitatsioonijõu, mis tõmbab kirjaklambri või koe! Me arvame, et raskusjõud on palju võimsam mitte sellepärast, et see on, vaid seetõttu, et kogu maakera gravitatsiooniline jõud mõjub meile alati, samal ajal kui laengud ja magnetid oma binaarse olemuse tõttu korraldavad end sageli nii, et nad on neutraliseeritud.
3 - elekter ja magnetism on sama fenomeni kaks külge
Kui vaatame lähemalt ja võrdleme elektrienergiat ja magnetilisust tõepoolest, näeme, et põhimõtteliselt on need sama nähtuse kaks aspekti, mida nimetatakse elektromagnetism. Enne selle nähtuse täielikku kirjeldamist saame põhjalikumalt mõista mõisteid.
Elektri- ja magnetväljad
Mis on väli? Mõnikord on kasulik mõelda millelegi, mis tundub tuttavam. Gravitatsioon, nagu elekter ja magnetism, on ka jõud, mis loob välja. Kujutage ette Maa ümbritsevat kosmose piirkonda.
Iga antud mass kosmoses tunneb jõudu, mis sõltub selle massi suurusest ja kaugusest Maast. Nii et me kujutame ette, et Maa ümbritsev ruum sisaldab a põld, st igale kosmosepunktile omistatav väärtus, mis annab mingil määral teada, kui suur ja millises suunas vastav jõud oleks. Gravitatsioonivälja suurusjärk r massist Mnäiteks on antud järgmise valemi abil:
E = {GM üle {1pt} r ^ 2}Kus G on universaalne gravitatsioonikonstant 6,667408 × 10-11 m3/ (kg2). Selle väljaga seotud suund suvalises punktis oleks ühikvektor, mis näitab Maa keskpunkti.
Elektriväljad töötavad samamoodi. Elektrivälja suurusjärk r punktitasust q saadakse järgmise valemi abil:
E = {kq ülal {1pt} r ^ 2}Kus k on Coulombi konstant 8,99 × 109 Nm2/ C2. Selle välja suund suvalises punktis on laengu poole q kui q on negatiivne ja laengust eemal q kui q on positiivne.
Pange tähele, et need väljad järgivad vastupidist ruudukujulist seadust, nii et kui liigute kaks korda kaugemale, muutub väli ühe neljandiku võrra tugevamaks. Mitme punktlaengu või pideva laengujaotuse tekitatud elektrivälja leidmiseks leiame lihtsalt jaotuse superpositsiooni või integreerime selle.
Magnetväljad on pisut keerukamad, kuna magnetid tulevad alati dipoolidena. Magnetvälja suurusjärku tähistatakse sageli tähega B, ja selle täpne valem sõltub olukorrast.
Kust siis magnetism päriselt pärineb?
Elektri ja magnetilisuse vaheline seos ilmnes teadlastele alles mitu sajandit pärast nende avastusi. Mõned võtmekatsed, mis uurisid kahe nähtuse koosmõju, viisid lõpuks arusaamiseni, mis meil täna on.
Praegused kantavad juhtmed loovad magnetvälja
1800. aastate alguses avastasid teadlased, et magnetilist kompassinõela saab juhtme kandva voolu lähedal hoida kõrvale. Selgub, et voolu kandev traat loob magnetvälja. See magnetväli on vahemaa r lõpmata pikast juhtmest, mis kannab voolu Mina saadakse järgmise valemi abil:
B = { mu_0 I üle {1pt} 2 pi r}Kus μ0 on vaakumi läbilaskvus 4_π_ × 10-7 Ei kohaldata2. Selle välja suuna annab parema käe reegel - suunake parema käe pöial voolu suunas ja keerake sõrmed juhtme ümber ringi, mis näitab magnetvälja suunda.
See avastus viis elektromagnetide loomiseni. Kujutage ette, et võtate voolu kandva traadi ja mähitate selle mähisesse. Saadud magnetvälja suund näeb välja nagu tulpmagneti dipoolväli!
••• pixabayAga kuidas on baarimagnetitega? Kust tuleb nende magnetism?
Tulpmagneti magnetism tekib elektronide liikumisega seda moodustavates aatomites. Igas aatomis liikuv laeng loob väikese magnetvälja. Enamikus materjalides on need väljad orienteeritud igal viisil, mille tulemuseks pole märkimisväärne võrgumagnetism. Kuid teatud materjalides, näiteks rauas, võimaldab materjalide koostis neid välju kõik joondada.
Nii et magnetism on tõesti elektrienergia ilming!
Kuid oodake, seal on veel midagi!
Selgub, et magnetism ei tulene mitte ainult elektrist, vaid elektrienergiat saab genereerida ka magnetismist. Selle avastuse tegi Michael Faraday. Vahetult pärast avastust, et elekter ja magnetism on omavahel seotud, leidis Faraday viisi voolu tekitamiseks juhtmemähises, muutes mähise keskpunkti läbivat magnetvälja.
Faraday seadus väidab, et mähises indutseeritud vool voolab suunas, mis on vastu selle põhjustanud muutusele. Selle all mõeldakse seda, et indutseeritud vool voolab suunas, mis tekitab magnetvälja, mis vastandub muutuvale magnetväljale, mis selle põhjustas. Sisuliselt üritab indutseeritud vool lihtsalt välja muutustele vastu astuda.
Nii et kui väline magnetväli on suunatud mähisesse ja suureneb seejärel suurusjärgus, voolab vool sellises suunas, et tekitada silmusest väljapoole suunatud magnetväli, et sellele muutusele vastu astuda. Kui väline magnetväli on suunatud mähisesse ja väheneb suurusjärgus, voolab vool selles suunas, et tekiks magnetväli, mis osutab ka mähisele, et muutusele vastu panna.
Faraday avastus viis tänapäevaste elektritootjate tehnoloogia taga. Elektrienergia tootmiseks peab olema võimalus muuta juhtme mähist läbivat magnetvälja. Võite ette kujutada traadimähise keeramist tugeva magnetvälja juuresolekul, et seda muudatust rakendada. Seda tehakse sageli mehaaniliste vahenditega, näiteks turbiini liigutades tuule või voolava veega.
••• pixabayMagnetjõu ja elektrijõu sarnasused
Magnetjõu ja elektrijõu sarnasusi on palju. Mõlemad jõud tegutsevad laengute alusel ja on pärit samast nähtusest. Mõlemal jõul on võrreldavad tugevused, nagu eespool kirjeldatud.
Elektriline jõud laadimisel q põllu tõttu E on andnud:
vec {F} = q vec {E}Laaditav magnetjõud q liikumine kiirusega v põllu tõttu B on antud Lorentzi jõuseadusega:
vec {F} = q vec {v} korda vec {B}Selle suhte teine sõnastus on:
vec {F} = vec {I} L korda vec {B}Kus Mina on praegune ja L traadi või juhtivuse pikkus põllul.
Lisaks paljudele sarnasustele magnetilise jõu ja elektrijõudude vahel on ka mõned eristatavad erinevused. Pange tähele, et magnetiline jõud ei mõjuta statsionaarset laengut (kui v = 0, siis F = 0) ega välja suunaga paralleelselt liikuvat laengut (mille tulemuseks on 0 ristkorrutist) ja tegelikult ka kraadi magnetjõud mõjutab kiiruse ja välja vahelist nurka.
Elektrienergia ja magnetismi seos
James Clerk Maxwell tuletas nelja võrrandi komplekti, mis võtavad matemaatiliselt kokku elektri ja magnetismi suhted. Need võrrandid on järgmised:
kolmnurkne cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} {} kolmnurkne alla cdot vec {B} = 0 {} kolmnurkne kord vec {E} = - dfrac { osaline vec {B}} { osaline t} {} kolmnurksed ajad vec {B} = mu_0 vec {J} + mu_0 epsilon_0 dfrac { osaline vec {E}} { osaline t}Kõiki eespool käsitletud nähtusi saab kirjeldada nende nelja võrrandi abil. Kuid veelgi huvitavam on see, et pärast nende tuletamist leiti nendele võrranditele lahendus, mis ei tundunud olevat kooskõlas varem teadaolevaga. Selles lahenduses kirjeldati iseliikuvat elektromagnetilist lainet. Kuid kui selle laine kiirus tuletati, määrati see järgmiselt:
dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299 792 485 m / sSee on valguse kiirus!
Mis tähtsust sellel on? Noh, selgub, et valgus, nähtus, mille teadlased olid juba mõnda aega uurinud selle omadusi, oli tegelikult elektromagnetiline nähtus. Seetõttu näete täna seda viitena elektromagnetiline kiirgus.
