Elektricitet og magnetisme: Hvad er de og hvorfor er de vigtige?

Elektricitet og magnetisme kan virke som to separate kræfter baseret på din hverdag. Det meste af tiden, når du taler om elektricitet, vil du henvise til elektrisk strøm eller elektriske ladninger, der driver husholdningsapparater fra din bærbare computer til noget så enkelt som en pære.

Magnetisme er ikke så almindeligt stødt på, men ethvert skolebarn vil være kommet i kontakt med stangmagneter før, som har en nordpol og en sydpol, med lignende poler, der frastøder og modsatte poler tiltrækker.
Elektricitet og magnetisme i fysik -

Dette daglig forståelse af elektriske ladninger og magnetisk kraft vil give dig en ret god grundlæggende forståelse af, hvordan elektricitet og magnetisme fungerer, men der er meget mere at lære, fra magnetpolernes oprindelse til Ohms lov, elektromagnetisk induktion og videre.

Mens din daglige oplevelse af elektricitet og magnetisme kan få dig gennem hverdagssituationer, hvis du tager fysik på højere niveauer, har du brug for en meget dybere forståelse af fænomenerne.

Tak til arbejdet med banebrydende fysikere som Michael Faraday og James Clerk Maxwell, videnskabsfolk forstår nu, at elektricitet og magnetisme overhovedet ikke er separate kræfter, men forskellige aspekter af den ene af de fire grundlæggende kræfter: elektromagnetisme.

Den centrale realisering bag dette var, at magnetiske felter faktisk produceres ved at bevæge elektriske ladninger. Den elektromagnetiske kraft er fuldstændigt beskrevet af Maxwells ligninger, og i slutningen af denne artikel forstår du, hvad hver enkelt er, og hvad den fortæller dig.
Hvad er elektricitet?

Elektricitet er det kendtlige navn for effekten af den elektriske kraft, som i de fleste tilfælde involverer samspillet mellem protoner (de positivt ladede partikler i kerne i hvert atom) og elektroner (de negativt ladede partikler, der findes i en sky omkring kernen).

Når en ladet partikel er tæt på en anden ladet partikel - for eksempel to elektroner i nærheden af hinanden eller en elektron og en proton i nærheden af hinanden - har de en interaktion, som generelt kan beskrives ved hjælp af Coulombs lov. Imidlertid er der generelt tale om, som ladninger frastøder og modsatte ladninger tiltrækker - ligesom matchende og modsatte poler på en magnet.

Coulombs lov hedder det, at q
_{1 og q
2, adskilt med en afstand r
, den elektriske kraft har størrelsen:
F \u003d \\ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}}

Her, k
\u003d 1 /4πε _{0 \u003d 9 × 10 ^{9 N m 2 /C 2 og ε 0 er en konstant kaldet permittiviteten for frit rum . Hvis du er bekendt med loven om universal gravitation, vil du bemærke, at Coulombs lov har en meget lignende form, med afgifterne i stedet for masserne og k
i stedet for G
. Begge er især inverse firkantede love, så at flytte ladningen dobbelt så langt væk reducerer styrken af styrken med en faktor på fire.}}

Du kan imidlertid også beskrive den elektriske kraft ved hjælp af begrebet elektrisk felt, som er defineret som styrken af kraften på en "testladning" og er defineret i hele rummet med en værdi i Newton pr. Coulomb.

Det elektriske felt er dog en vektor, så det har begge dele en styrke og en retning. Mens du kan definere den elektriske feltstyrke E
blot som E
\u003d F
/ q
, hvor q
er testafgiften, den mest nyttige ligning til dette er Gauss 'lov, en af Maxwells ligninger, som vil blive dækket senere.
Hvad er magnetisme?

Magnetisme er lidt mere kompliceret end elektricitet til at beskrive på en matematisk måde, men de grundlæggende principper er meget ens. Ligesom elektriske kræfter beskrives som forekommer mellem positive ladninger og negative ladninger, beskrives magnetiske kræfter som at forekomme mellem nordpoler og sydpoler (eller positive og negative poler) af magneter.

På nøjagtigt samme måde som for elektriske kræfter, som poler frastøder, og modsatte poler tiltrækker. Magnetiske kræfter kan også beskrives ved hjælp af begrebet magnetiske felter, der - ligesom elektriske felter - er usynlige felter, der gennemsyrer plads og repræsenterer magnetisk kraftens evne til at ændre hastigheden for ladede partikler i nærheden.

Imidlertid findes magnetpoler kun parvis som dipoler - der er ingen magnetiske monopoler. Hvis der eksisterede magnetiske monopoler, ville der være en simpel lov som Coulombs lov, der gjaldt magnetisme snarere end elektricitet, men magnetisme er i sagens natur lidt mere kompliceret end dette, og så magnetiske kræfter har tendens til at blive beskrevet baseret på magnetiske felter genereret af specifikke kilder. For eksempel er der en ligning for magnet magnetfeltet i en magnet magnet, feltet produceret af en ledning med en elektrisk strøm og så videre.

Magnetiske felter måles generelt i enheder af enten Teslas (T) - navngivet efter fysiker Nikola Tesla - eller gauss (G) - opkaldt efter Carl Friedrich Gauss - og 1 T \u003d 10.000 G. Dette er teknisk et mål for magnetisk flux-tæthed, men for at undgå at blive klædet i de præcise detaljer er det sikkert at bare tænke på dette betyder omtrent den samme ting.

En stærk magnet i et laboratorium vil have en værdi på ca. 1 T, mens en køleskabsmagnet vil være mere som 0,1 T, så Gauss er ofte den bedre enhed til at bruge til hverdagens magnetiske felter.
Lorentz Force Law and Magnetism

Hvis du ikke ønsker at arbejde med Maxwells ligninger, som generelt er meget mere kompliceret, er den bedste måde at beregne magnetismens kraft ved hjælp af Lorentz tvangslovgivning. Dette er en lov, der omfatter både magnetiske og elektriske felter, der kombinerer to forskellige udtryk for at forudsige kraften, der påføres en partikel under påvirkning af begge dele, og retningen for den resulterende kraft.

For magnetisk kraft er den relevante del af Lorentz-kraftloven er:
\\ bold {F} \u003d q \\ bold {v × B}

Hvor q
er ladningen for den partikel, der rejser gennem feltet, er v dets (vektor) hastighed, og B er magnetfeltet. Du skal også bemærke, at × -symbolet ikke er en simpel multiplikation, men i stedet et vektorprodukt, der producerer en kraft i en retning, der er givet af højrehandelen. Simpelthen gives styrken af den kraft, der påføres partiklen af:
F \u003d qvB \\ sin (θ)

Hvor vinklen θ
er vinklen mellem retningen af hastighed for partikel og magnetfeltet. Dette fortæller dig straks, at interaktionen er stærkest, når partiklen bevæger sig i en vinkel på 90 grader (dvs. vinkelret) på magnetfeltet.
Lorentz Force Law