מהם 3 קווי הדמיון בין מגנטים לחשמל?

תוֹכֶן

• 1 - הם מגיעים בשני זנים מנוגדים
• 2 - כוחם היחסי בהשוואה לכוחות אחרים
• 3 - חשמל ומגנטיות הם שני צדדים מאותו תופעה
• שדות חשמליים ומגנטיים
• אז מאיפה באמת מגיע המגנטיות?
• חוטי נשיאה נוכחיים יוצרים שדה מגנטי
• אבל מה עם מגנטים לבר? מאיפה מגיע המגנטיות שלהם?
• אבל רגע, יש עוד!
• קווי דמיון בין כוח מגנטי לכוח חשמלי
• הקשר בין חשמל למגנטיות

כוחות חשמליים ומגנטיים הם שני כוחות הנמצאים בטבע. בעוד שבמבט ראשון הם עשויים להיראות שונים, שניהם מקורם בשדות הקשורים לחלקיקים טעונים. לשני הכוחות שלושה קווי דמיון עיקריים, וכדאי ללמוד עוד כיצד התופעות הללו מתעוררות.

1 - הם מגיעים בשני זנים מנוגדים

המטען מגיע בזנים חיוביים (+) ושליליים (-). מנשא המטען החיובי הבסיסי הוא הפרוטון ומנשא המטען השלילי הוא האלקטרון. לשניהם מטען בעוצמה e = 1.602 × 10^-19 קולומבס.

ניגודים מושכים, ואוהבים להדוף; שני מטענים חיוביים המוצבים זה ליד זה להדוף, או לחוות כוח שמרחיק אותם זה מזה. כך גם בשני אישומים שליליים. חיוב חיובי ושלילי, לעומת זאת, יהיה למשוך אחד את השני.

המשיכה בין מטענים חיוביים לשליליים היא מה שנוטה להפוך את רוב הפריטים לניטרל חשמלי. מכיוון שישנם אותו מספר חיובי כמו מטענים שליליים ביקום, והכוחות האטרקטיביים והדוחים פועלים כפי שהם עושים, המטענים נוטים לנטרל, או לבטל זה את זה.

למגנטים, באופן דומה, יש קטבים צפון ודרום. שני קטבים צפון מגנטיים ידחו זה את זה וכך גם שני קטבים דרומיים מגנטיים, אך קוטב צפון וקוטב דרום ימשכו זה את זה.

שים לב שתופעה אחרת שאתה מכיר ככל הנראה, כוח המשיכה, אינה כזו. כוח המשיכה הוא כוח אטרקטיבי בין שני המונים. יש רק "סוג" אחד של מסה. זה לא בא בזנים חיוביים ושליליים כמו חשמל ומגנטיות. וסוג מסה אחד זה הוא תמיד מושך ולא דוחה.

יש הבדל מובהק בין מגנטים ומטענים, לעומת זאת בכך שמגנטים תמיד מופיעים כדיפול. כלומר, לכל מגנט נתון תמיד יהיה עמוד צפוני ודרומי. לא ניתן להפריד בין שני הקטבים.

ניתן ליצור דיפול חשמלי גם על ידי הנחת מטען חיובי ושלילי במרחק קטן זה מזה, אך תמיד ניתן להפריד בין המטענים הללו שוב. אם אתה מדמיין מגנט מוט עם הקטבים הצפוניים והדרומיים שלו, והיית מנסה לחתוך אותו לשניים כדי ליצור צפון ודרום נפרדים, במקום זאת התוצאה תהיה שני מגנטים קטנים יותר, שניהם עם קטבים צפון וצפון דרום משלהם.

2 - כוחם היחסי בהשוואה לכוחות אחרים

אם נשווה חשמל ומגנטיות לכוחות אחרים, אנו רואים כמה הבדלים ברורים. ארבעת הכוחות הבסיסיים של היקום הם הכוחות החזקים, האלקטרומגנטיים, החלשים וכבידה. (שימו לב שכוחות חשמליים ומגנטיים מתוארים באותה המילה היחידה - עוד על זה במעט.)

אם ניקח בחשבון את הכוח החזק - הכוח המחבר גרעינים יחד בתוך האטום - כעל גודל 1, אזי חשמל ומגנטיות הם בעלי גודל יחסית של 1/137. לכוח החלש - האחראי על דעיכת בטא - יש גודל יחסית 10^-6, וכוח הכבידה הוא בעל גודל יחסית 6 × 10^-39.

קראת נכון. זו לא הייתה שגיאת דפוס. כוח הכבידה הוא wimpy מאוד בהשוואה לכל השאר. זה אולי נראה אינטואיטיבי - אחרי הכל, כוח המשיכה הוא הכוח שמניע כוכבי לכת בתנועה ושומר על רגלינו על הקרקע! אך קחו בחשבון מה קורה כשאתם מרימים נייר כסף עם מגנט או רקמה עם חשמל סטטי.

הכוח המושך את המגנט הקטן או הפריט הטעון הסטטי יכול לסתור את כוח הכבידה של כדור הארץ כולו מושך את הנייר או הרקמה! אנו חושבים על כוח הכבידה כחזק כל כך הרבה יותר לא בגלל שהוא, אלא מכיוון שיש לנו כוח הכבידה של כדור הארץ השלם הפועל עלינו בכל עת ואילו, בגלל אופיים הבינארי, מטענים ומגנטים לעתים קרובות מסדרים את עצמם כך שהם מנוטרל.

3 - חשמל ומגנטיות הם שני צדדים מאותו תופעה

אם אנו מסתכלים יותר מקרוב ובאמת משווים חשמל ומגנטיות, אנו רואים כי ברמה הבסיסית הם שני היבטים של אותה תופעה הנקראת אלקטרומגנטיות. לפני שנתאר באופן מלא את התופעה, מאפשר להבין טוב יותר את המושגים המעורבים.

שדות חשמליים ומגנטיים

מה זה תחום? לפעמים מועיל לחשוב על משהו שנראה מוכר יותר. כוח הכבידה, כמו חשמל ומגנטיות, הוא גם כוח שיוצר שדה. דמיין את אזור החלל סביב כדור הארץ.

כל מסה נתונה בחלל תחוש כוח שתלוי בעוצמת המסה שלו ובמרחקו מכדור הארץ. אז אנו מדמיינים שהחלל סביב כדור הארץ מכיל א שדהכלומר, ערך המוקצה לכל נקודה במרחב שנותן אינדיקציה מסוימת עד כמה גדול יחסית, ובאיזו כיוון יהיה כוח מתאים. גודל שדה הכבידה במרחק r מהמסה Mלמשל, ניתן על ידי הנוסחה:

E = {GM מעל {1pt} r ^ 2}

איפה ז הוא קבוע הכבידה האוניברסלי 6.67408 × 10^-11 M³/ (ק"ג²). הכיוון הקשור לשדה זה בכל נקודה נתונה יהיה וקטור יחידה המפנה לכיוון מרכז כדור הארץ.

שדות חשמליים עובדים באותה צורה. גודל השדה החשמלי במרחק r ממטען נקודתי ש ניתנת על ידי הנוסחה:

E = {kq מעל {1pt} r ^ 2}

איפה k הוא קבוע קולומב 8.99 × 10⁹ נ.מ.²/ ג². הכיוון של שדה זה בכל נקודה נתונה הוא לכיוון המטען ש אם ש הוא שלילי, ומרחק מהטעינה ש אם ש הוא חיובי.

שימו לב ששדות אלה מצייתים לחוק ריבוע הפוך, כך שאם אתם מתרחקים פי שניים משם, השדה הופך לרבע חזק יותר. כדי למצוא את השדה החשמלי שנוצר על ידי כמה מטעני נקודה, או חלוקת מטען רציפה, היינו פשוט מוצאים את הסופרפוזיציה או מבצעים אינטגרציה של ההתפלגות.

שדות מגנטיים קצת יותר מורכבים מכיוון שמגנטים תמיד מגיעים כדיפול. גודל השדה המגנטי מיוצג לעיתים קרובות על ידי האות ב, והנוסחה המדויקת לכך תלויה במצב.

אז מאיפה באמת מגיע המגנטיות?

הקשר בין חשמל למגנטיות לא היה ברור למדענים עד כמה מאות שנים לאחר התגליות הראשוניות של כל אחד מהם. כמה ניסויים מרכזיים הבוחנים את האינטראקציה בין שתי התופעות הביאו בסופו של דבר להבנה שיש לנו כיום.

חוטי נשיאה נוכחיים יוצרים שדה מגנטי

בתחילת 1800s גילו המדענים לראשונה כי ניתן להסיט את מחט המצפן המגנטית כשהיא מוחזקת ליד חוט הנושא זרם. מסתבר שחוט הנושא זרם יוצר שדה מגנטי. שדה מגנטי זה מרחק r מזרם נשיאה ארוך עד אינסוף אני ניתנת על ידי הנוסחה:

B = { mu_0 אני מעל {1pt} 2 pi r}

איפה μ₀ הוא חדירות הוואקום 4_π_ × 10^-7 לא². הכיוון של שדה זה ניתן על ידי כלל יד ימין - כוון את אגודל יד ימין לכיוון הזרם ואז אצבעותיך עוטפות את התיל במעגל המציין את כיוון השדה המגנטי.

תגלית זו הובילה ליצירת אלקטרומגנטים. דמיין שאתה לוקח חוט נשיאה זרם ועטוף אותו לסליל. כיוון השדה המגנטי המתקבל ייראה כמו שדה הדיפול של מגנט מוט!

••• פיקסלביי

אבל מה עם מגנטים לבר? מאיפה מגיע המגנטיות שלהם?

מגנטיות במגנט מוט נוצרת על ידי תנועת האלקטרונים באטומים המרכיבים אותו. המטען הנע בכל אטום יוצר שדה מגנטי קטן. ברוב החומרים, שדות אלה מכוונים לכל כיוון, וכתוצאה מכך אין מגנטיות נטו משמעותית. אך בחומרים מסוימים, כמו ברזל, הרכב החומרים מאפשר לתחום של שדות אלה.

אז מגנטיות היא באמת ביטוי לחשמל!

אבל רגע, יש עוד!

מסתבר שלא רק שהמגנטיות נובעת מחשמל, אלא שניתן לייצר חשמל ממגנטיות. תגלית זו עשתה על ידי מייקל פאראדיי. זמן קצר לאחר התגלית שחשמל ומגנטיות קשורים, מצא פאראדיי דרך לייצר זרם בסליל חוט על ידי שינוי השדה המגנטי העובר במרכז הסליל.

החוק של פאראדיי קובע כי הזרם המושרה בסליל יזרום לכיוון המתנגד לשינוי שגרם לו. הכוונה בכך היא שהזרם המושרה יזרום לכיוון שיוצר שדה מגנטי המתנגד לשדה המגנטי המשתנה שגרם לו. בעיקרו של דבר, הזרם המושרה פשוט מנסה לנטרל כל שינוי בשדה.

כך שאם השדה המגנטי החיצוני מכוון לסליל ואז גדל בעוצמתו, הזרם יזרום בכיוון כזה כדי ליצור שדה מגנטי שמצביע מחוץ לולאה על מנת לסתור את השינוי הזה. אם השדה המגנטי החיצוני מכוון לסליל ויורד בעוצמתו, אז הזרם יזרום בכיוון כזה כדי ליצור שדה מגנטי שמצביע גם הוא לסליל על מנת לסתור את השינוי.

הגילוי של פאראדיי הוביל לטכנולוגיה שמאחורי מחוללי הכוח של ימינו. על מנת לייצר חשמל, צריכה להיות דרך לשנות את השדה המגנטי העובר בסליל חוט. אתה יכול לדמיין את הפיכת סליל התיל בנוכחות שדה מגנטי חזק בכדי ליישם את השינוי הזה. זה נעשה לרוב באמצעים מכניים, כמו טורבינה המועברת על ידי רוח או מים זורמים.

••• פיקסלביי

קווי דמיון בין כוח מגנטי לכוח חשמלי

הדמיון בין כוח מגנטי לכוח חשמלי הם רבים. שני הכוחות פועלים במטענים ומקורם באותה תופעה. לשני הכוחות יש חוזקות דומות, כמתואר לעיל.

כוח חשמלי בתשלום ש עקב שדה ה ניתן ע"י:

vec {F} = q vec {E}

הכוח המגנטי שבמטען ש נע במהירות v עקב שדה ב ניתן על ידי חוק כוח לורנץ:

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

ניסוח נוסף של מערכת יחסים זו הוא:

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

איפה אני הוא הזרם ו ל אורך החוט או הנתיב המוליך בשדה.

בנוסף לקווי הדמיון הרבים בין כוח מגנטי לכוח חשמלי, ישנם גם כמה הבדלים ברורים. שימו לב שהכוח המגנטי לא ישפיע על מטען נייח (אם v = 0, אז F = 0) או מטען שנע במקביל לכיוון השדה (מה שמביא לתוצר צלב 0), ולמעשה התואר בו פעולות הכוח המגנטי משתנות עם הזווית בין המהירות לשדה.

הקשר בין חשמל למגנטיות

ג'יימס קלקר מקסוול הוציא קבוצה של ארבע משוואות המסכמות את הקשר בין חשמל למגנטיות באופן מתמטי. משוואות אלה הן כדלקמן:

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

ניתן לתאר את כל התופעות שנדונו בעבר בארבע המשוואות הללו. אך מעניין עוד יותר הוא שאחרי הגזירה שלהם נמצא פיתרון למשוואות אלה שלא נראה עקבי עם מה שהיה ידוע בעבר. פיתרון זה תיאר גל אלקטרומגנטי המפיץ את עצמו. אך כשנגזרה המהירות של הגל הזה, נקבע שהוא:

dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299,792,485 מ / ש

זו מהירות האור!

מה המשמעות של זה? ובכן, מסתבר שהאור, תופעה שמדענים חקרו את תכונותיהם של די הרבה זמן, הייתה למעשה תופעה אלקטרומגנטית. זו הסיבה שכיום אתה רואה את זה המכונה קרינה אלקטרומגנטית.

••• פיקסלביי