Apakah 3 Persamaan Antara Magnet dan Elektrik?

Kandungan

• 1 - Mereka Datang Dua Varietas Bertentangan
• 2 - Kekuatan Relatif Mereka Berbanding dengan Angkatan Lain
• 3 - Elektrik dan Magnetisme Adakah Dua Sisi Fenomena yang Sama
• Medan Elektrik dan Magnetik
• Jadi di mana Adakah Magnetisme Really Come From?
• Wayar Membawa Semasa Buat Medan Magnetik
• Tapi Apa Mengenai Bar Magnet? Di manakah Magnetisme mereka datang?
• Tetapi Tunggu, Ada Lagi!
• Persamaan Antara Angkatan Magnetik dan Angkatan Elektrik
• Hubungan Antara Elektrik dan Magnetisme

Daya elektrik dan magnet adalah dua daya yang ditemui dalam alam semula jadi. Walaupun pada pandangan pertama mereka mungkin kelihatan berbeza, kedua-duanya berasal dari bidang yang berkaitan dengan zarah yang dikenakan. Kedua-dua pasukan mempunyai tiga kesamaan utama, dan anda harus mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana fenomena ini timbul.

1 - Mereka Datang Dua Varietas Bertentangan

Caj datang dalam jenis (+) dan negatif (-) yang positif. Pembawa bayaran positif adalah proton dan pembawa caj negatif adalah elektron. Kedua-duanya mempunyai pertuduhan magnitud e = 1.602 × 10^-19 Coulombs.

Opposites menarik, dan suka menolak; dua caj positif yang diletakkan berhampiran satu sama lain mengusir, atau mengalami daya yang memisahkan mereka. Begitu juga dengan dua caj negatif. Akan tetapi, caj positif dan negatif, akan tertarik satu sama lain.

Daya tarikan antara caj positif dan negatif adalah apa yang cenderung menjadikan kebanyakan barangan neutral elektrik. Kerana terdapat bilangan yang sama positif sebagai caj negatif di alam semesta, dan daya yang menarik dan menjijikkan bertindak seperti yang mereka lakukan, caj cenderung untuk menetralkan, atau membatalkan satu sama lain.

Magnet, sama juga, mempunyai kutub utara dan selatan. Dua tiang utara magnetik akan menewaskan satu sama lain seperti dua kutub selatan magnetik, tetapi tiang utara dan kutub selatan akan menarik satu sama lain.

Perhatikan bahawa fenomena lain yang mungkin anda kenali, graviti, tidak seperti ini. Graviti adalah daya tarikan antara dua orang. Terdapat hanya satu "jenis" jisim. Ia tidak datang dalam jenis positif dan negatif seperti elektrik dan magnet. Dan satu jenis jisim ini sentiasa menarik dan tidak menjijikkan.

Terdapat perbezaan yang berbeza antara magnet dan caj, bagaimanapun, dalam magnet itu sentiasa muncul sebagai dipole. Iaitu, sebarang magnet akan sentiasa mempunyai tiang utara dan selatan. Kedua tiang itu tidak boleh dipisahkan.

Dipole elektrik juga boleh dibuat dengan meletakkan muatan positif dan negatif di beberapa jarak jauh, tetapi selalu mungkin untuk memisahkan caj ini lagi. Jika anda membayangkan magnet bar dengan kutub utara dan selatan, dan anda cuba memotongnya separuh untuk membuat utara dan selatan yang berasingan, sebaliknya hasilnya akan menjadi dua magnet yang lebih kecil, baik dengan kutub utara dan selatan mereka sendiri.

2 - Kekuatan Relatif Mereka Berbanding dengan Angkatan Lain

Sekiranya kita membandingkan tenaga elektrik dan magnet ke daya lain, kita melihat beberapa perbezaan yang berbeza. Empat kekuatan asas alam semesta adalah kekuatan yang kuat, elektromagnetik, lemah dan graviti. (Perhatikan bahawa kuasa elektrik dan magnet digambarkan oleh perkataan tunggal yang sama - lebih lanjut mengenai ini sedikit.)

Jika kita menganggap kekuatan yang kuat - kuasa yang memegang nukleon bersama-sama di dalam atom - untuk mempunyai magnitud 1, maka elektrik dan magnet mempunyai magnitud relatif 1/137. Daya lemah - yang bertanggungjawab untuk kerosakan beta - mempunyai magnitud relatif 10^-6, dan daya graviti mempunyai magnitud relatif 6 × 10^-39.

Anda membaca yang betul. Ia bukan kesilapan tipu. Daya graviti adalah sangat wimpy berbanding dengan yang lain. Ini seolah-olah tidak dapat dipertikaikan - selepas semua, graviti adalah kuasa yang menjadikan planet bergerak dan mengekalkan kaki kita di atas tanah! Tetapi pertimbangkan apa yang berlaku apabila anda mengambil klip kertas dengan magnet atau tisu dengan elektrik statik.

Pasukan yang menarik satu magnet kecil atau benda bertabrakan secara statik boleh mengatasi daya graviti seluruh bumi yang menarik pada klip kertas atau tisu! Kita berfikir graviti sebagai lebih kuat bukan kerana ia, tetapi kerana kita mempunyai kuasa graviti dari seluruh dunia yang bertindak pada kita pada setiap masa, kerana sifat binari mereka, caj dan magnet sering mengatur diri mereka supaya mereka dineutralkan.

3 - Elektrik dan Magnetisme Adakah Dua Sisi Fenomena yang Sama

Sekiranya kita melihat dengan lebih teliti dan benar-benar membandingkan tenaga elektrik dan kemagnetan, kita melihat bahawa pada tahap asas mereka adalah dua aspek fenomena yang sama dipanggil elektromagnetisme. Sebelum kita menjelaskan sepenuhnya fenomena ini, mari kita mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang konsep-konsep yang terlibat.

Medan Elektrik dan Magnetik

Apakah bidang? Kadang-kadang adalah berguna untuk memikirkan sesuatu yang kelihatannya lebih biasa. Graviti, seperti tenaga elektrik dan magnet, juga merupakan daya yang mewujudkan medan. Bayangkan rentang ruang di sekeliling Bumi.

Mana-mana jisim yang diberikan di angkasa akan merasakan daya yang bergantung kepada magnitud jisimnya dan jaraknya dari Bumi. Oleh itu, kita bayangkan bahawa ruang di sekeliling Bumi mengandungi a bidang, iaitu nilai yang diberikan kepada setiap titik dalam ruang yang memberi beberapa petunjuk bagaimana agak besar, dan ke arah mana, daya yang sama akan. Magnitud medan graviti jarak r dari jisim M, sebagai contoh, diberikan oleh formula:

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

Di mana G adalah pemalar graviti universal 6.67408 × 10^-11 m³/ (kgs²). Arah yang berkaitan dengan medan ini di mana-mana titik tertentu akan menjadi vektor unit yang menunjuk ke arah pusat Bumi.

Medan elektrik berfungsi dengan cara yang sama. Magnitud medan elektrik jarak r dari titik tuduhan q diberikan oleh formula:

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

Di mana k adalah pemalar Coulomb 8.99 × 10⁹ Nm²/ C². Arah medan ini di mana-mana titik tertentu adalah ke arah pertuduhan q jika q adalah negatif, dan jauh dari pertuduhan q jika q adalah positif.

Perhatikan bahawa bidang ini mematuhi undang-undang persegi songsang, jadi jika anda bergerak dua kali jauh, medan menjadi seperempat kuat. Untuk mencari medan elektrik yang dijana oleh beberapa caj titik, atau pembahagian caj yang berterusan, kita akan mencari superposisi atau melakukan penyepaduan pengedaran.

Medan magnet adalah lebih rumit kerana magnet selalu datang sebagai dipoles. Satu magnitud medan magnet sering diwakili oleh surat B, dan formula yang tepat untuknya bergantung kepada keadaan.

Jadi di mana Adakah Magnetisme Really Come From?

Hubungan antara elektrik dan magnet tidak jelas kepada saintis sehingga beberapa abad selepas penemuan awal masing-masing. Beberapa eksperimen utama meneroka interaksi antara kedua-dua fenomena ini akhirnya membawa kepada pemahaman yang kita ada hari ini.

Wayar Membawa Semasa Buat Medan Magnetik

Pada awal tahun 1800-an saintis mula-mula mendapati bahawa jarum kompas magnetik boleh dipesongkan apabila dipegang berhampiran dawai yang membawa arus. Ternyata wayar membawa semasa mewujudkan medan magnet. Medan magnet ini jauh r dari wayar panjang yang membawa arus Saya diberikan oleh formula:

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

Di mana μ₀ adalah kebolehtelapan vakum 4_π_ × 10^-7 N / A². Arah medan ini diberikan oleh peraturan tangan kanan - titik ibu jari tangan kanan anda ke arah arus, dan kemudian jari anda membungkus wayar di dalam bulatan yang menunjukkan arah medan magnet.

Penemuan ini membawa kepada penciptaan elektromagnet. Bayangkan mengambil wayar semasa dan bungkusnya ke gegelung. Arah medan magnet yang dihasilkan akan kelihatan seperti medan magnet dipole!

••• pixabay

Tapi Apa Mengenai Bar Magnet? Di manakah Magnetisme mereka datang?

Magnetisme dalam magnet bar dihasilkan oleh gerakan elektron dalam atom yang terdiri daripada itu. Caj bergerak di setiap atom menghasilkan medan magnet kecil. Dalam kebanyakan bahan, bidang-bidang ini berorientasikan setiap jalan yang mana, yang tidak mempunyai daya tarikan bersih yang ketara. Tetapi dalam bahan-bahan tertentu, seperti besi, komposisi bahan membolehkan semua bidang ini menjadi sejajar.

Maka magnetisme adalah benar-benar manifestasi elektrik!

Tetapi Tunggu, Ada Lagi!

Ternyata bukan hanya daya magnet yang dihasilkan daripada tenaga elektrik, tetapi tenaga elektrik boleh dihasilkan daripada daya tarikan. Penemuan ini dibuat oleh Michael Faraday. Tidak lama selepas penemuan bahawa elektrik dan magnet telah dikaitkan, Faraday mendapati cara untuk menghasilkan arus dalam gegelung dawai dengan memvariasikan medan magnet melalui pusat gegelung.

Undang-undang Faraday menyatakan bahawa arus yang disebabkan oleh gegelung akan mengalir ke arah yang menentang perubahan yang menyebabkannya. Apa yang dimaksudkan dengan ini ialah arus teraruh akan mengalir ke arah yang menghasilkan medan magnet yang menentang medan magnet yang berubah yang menyebabkannya. Pada dasarnya, arus induksi hanya cuba untuk mengatasi sebarang perubahan medan.

Oleh itu jika medan magnet luar menunjuk ke gegelung dan kemudian meningkatkan magnitud, arus akan mengalir ke arah sedemikian untuk membuat medan magnet menunjuk keluar gelung untuk mengatasi perubahan ini. Jika medan magnet luaran menunjuk ke gegelung dan berkurang magnitud, maka arus akan mengalir dalam arah sedemikian untuk membuat medan magnet yang juga menunjuk ke gegelung untuk mengatasi perubahan tersebut.

Penemuan Faraday membawa kepada teknologi di sebalik penjana kuasa hari ini. Untuk menjana elektrik, perlu ada cara untuk mengubah medan magnet melalui gegelung dawai. Anda boleh membayangkan menghidupkan gegelung dawai dengan kehadiran medan magnet yang kuat untuk membuat perubahan ini. Ini sering dilakukan dengan cara mekanikal, seperti turbin yang dipindahkan oleh angin atau air yang mengalir.

••• pixabay

Persamaan Antara Angkatan Magnetik dan Angkatan Elektrik

Kesamaan antara daya magnet dan tenaga elektrik banyak. Kedua-dua angkatan bertindak atas tuduhan dan mempunyai asal-usul mereka dalam fenomena yang sama. Kedua-dua pasukan mempunyai kekuatan setanding, seperti yang diterangkan di atas.

Daya elektrik yang dikenakan q kerana bidang E diberikan oleh:

vec {F} = q vec {E}

Daya magnet yang dikenakan q bergerak dengan halaju v kerana bidang B diberikan oleh undang-undang kuasa Lorentz:

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

Satu lagi rumusan perhubungan ini ialah:

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

Di mana Saya adalah semasa dan L panjang dawai atau jalur konduktif di lapangan.

Di samping banyak persamaan antara daya magnet dan daya elektrik, terdapat juga perbezaan yang berbeza. Perhatikan bahawa daya magnet tidak akan menjejaskan caj pegun (jika v = 0, maka F = 0) atau caj yang bergerak selari dengan arah medan (yang menghasilkan 0 produk salib), dan sebenarnya sejauh mana Tindakan magnetik bervariasi dengan sudut antara halaju dan medan.

Hubungan Antara Elektrik dan Magnetisme

James Clerk Maxwell memperoleh satu set empat persamaan yang meringkaskan hubungan antara elektrik dan magnet secara matematik. Persamaan ini adalah seperti berikut:

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

Semua fenomena yang dibincangkan sebelum ini boleh dijelaskan dengan empat persamaan ini. Tetapi lebih menarik lagi adalah bahawa selepas terbitan mereka, penyelesaian kepada persamaan-persamaan ini didapati tidak seolah-olah konsisten dengan apa yang telah diketahui sebelum ini. Penyelesaian ini menggambarkan gelombang elektromagnetik sendiri. Tetapi apabila kelajuan gelombang ini diperoleh, ia telah ditentukan sebagai:

dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299,792,485 m / s

Ini adalah kelajuan cahaya!

Apakah maksudnya? Nah, ternyata cahaya, fenomena saintis telah meneroka sifat-sifat selama beberapa waktu, sebenarnya adalah fenomena elektromagnetik. Itulah sebabnya hari ini anda melihatnya dirujuk sebagai radiasi elektromagnetik.

••• pixabay