Związek między elektrycznością a magnetyzmem

Razem te dwa zjawiska stanowią podstawę elektromagnetyzmu

Prosty elektromagnes pokazuje, jak połączone są elektryczność i magnetyzm. Jasmin Awad / EyeEm / Getty Images

Elektryczność i magnetyzm są odrębnymi, ale wzajemnie powiązanymi zjawiskami związanymi z siła elektromagnetyczna . Razem stanowią podstawę do elektromagnetyzm , kluczowa dyscyplina fizyki.

Kluczowe dania na wynos: elektryczność i magnetyzm

• Elektryczność i magnetyzm to dwa powiązane zjawiska wytwarzane przez siłę elektromagnetyczną. Razem tworzą elektromagnetyzm.
• Poruszający się ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne.
• Pole magnetyczne indukuje ruch ładunku elektrycznego, wytwarzając prąd elektryczny.
• W fali elektromagnetycznej pole elektryczne a pole magnetyczne są do siebie prostopadłe.

Z wyjątkiem zachowania z powodu siła grawitacji , prawie każde zdarzenie w życiu codziennym wynika z siły elektromagnetycznej. Odpowiada za interakcje między atomami i przepływ między materią a energią. Inny siły podstawowe czy są słaba i silna siła jądrowa , które rządzą rozpadem promieniotwórczym i tworzenie jąder atomowych .

Ponieważ elektryczność i magnetyzm są niezwykle ważne, dobrym pomysłem jest rozpoczęcie od podstawowego zrozumienia, czym one są i jak działają.

Podstawowe zasady elektryczności

Elektryczność to zjawisko związane ze stacjonarnymi lub ruchomymi ładunkami elektrycznymi. Źródłem ładunku elektrycznego może być cząstka elementarna, elektron (który ma ładunek ujemny), proton (który ma ładunek dodatni), jon lub jakiekolwiek większe ciało, które ma nierównowagę ładunku dodatniego i ujemnego. Ładunki dodatnie i ujemne przyciągają się nawzajem (np. protony przyciągają elektrony), podczas gdy podobne ładunki odpychają się nawzajem (np. protony odpychają inne protony, a elektrony odpychają inne elektrony).

Znane przykłady elektryczności to piorun, prąd elektryczny z gniazdka lub akumulatora i elektryczności statycznej. Wspólny Jednostki SI energii elektrycznej to amper (A) dla prądu, kulomb (C) dla ładunku elektrycznego, wolt (V) dla różnicy potencjałów, om (Ω) dla rezystancji i wat (W) dla mocy. Stacjonarny ładunek punktowy ma pole elektryczne, ale jeśli ładunek zostanie wprawiony w ruch, generuje również pole magnetyczne.

Podstawowe zasady magnetyzmu

Magnetyzm definiuje się jako zjawisko fizyczne wytwarzane przez poruszający się ładunek elektryczny. Ponadto pole magnetyczne może wywołać ruch naładowanych cząstek, wytwarzając prąd elektryczny. Fala elektromagnetyczna (taka jak światło) ma zarówno składnik elektryczny, jak i magnetyczny. Dwie składowe fali poruszają się w tym samym kierunku, ale zorientowane pod kątem prostym (90 stopni) względem siebie.

Podobnie jak elektryczność, magnetyzm wytwarza przyciąganie i odpychanie między obiektami. Chociaż elektryczność opiera się na ładunkach dodatnich i ujemnych, nie ma znanych monopoli magnetycznych. Każda cząsteczka magnetyczna lub obiekt ma biegun „północny” i „południowy”, z kierunkami opartymi na orientacji pola magnetycznego Ziemi. Tak jak bieguny magnesu odpychają się nawzajem (np. północ odpycha północ), podczas gdy przeciwne bieguny przyciągają się (przyciągają się północ i południe).

Znane przykłady magnetyzmu obejmują: reakcja igły kompasu do pola magnetycznego Ziemi, przyciągania i odpychania magnesów sztabkowych oraz pole otaczające elektromagnesy . Jednak każdy poruszający się ładunek elektryczny ma pole magnetyczne, więc orbitujące elektrony atomów wytwarzają pole magnetyczne; istnieje pole magnetyczne związane z liniami energetycznymi; a dyski twarde i głośniki działają w oparciu o pola magnetyczne. Kluczowe jednostki magnetyzmu w układzie SI obejmują teslę (T) dla gęstości strumienia magnetycznego, Webera (Wb) dla strumienia magnetycznego, amper na metr (A/m) dla natężenia pola magnetycznego oraz Henry (H) dla indukcyjności.

Podstawowe zasady elektromagnetyzmu

Słowo elektromagnetyzm pochodzi z połączenia dzieł greckich elektron , co oznacza „bursztyn” i magnetis litos , co oznacza „kamień magnezowy”, który jest magnetyczną rudą żelaza. Starożytny Grecy znali elektryczność i magnetyzm , ale uważał je za dwa odrębne zjawiska.

Związek znany jako elektromagnetyzm nie został opisany, dopóki nie opublikowano Jamesa Clerka Maxwella Traktat o elektryczności i magnetyzmie w 1873 roku. Praca Maxwella obejmowała dwadzieścia słynnych równań, które od tego czasu zostały skondensowane w cztery równania różniczkowe cząstkowe. Podstawowe pojęcia reprezentowane przez równania są następujące:

1. Podobnie jak ładunki elektryczne odpychają się, a w przeciwieństwie do ładunków elektrycznych przyciągają. Siła przyciągania lub odpychania jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
2. Bieguny magnetyczne zawsze występują jako pary północ-południe. Jak słupy odpychają się podobnie i przyciągają inne.
3. Prąd elektryczny w przewodzie wytwarza pole magnetyczne wokół przewodu. Kierunek pola magnetycznego (zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) zależy od kierunku prądu. Jest to „zasada prawej ręki”, zgodnie z którą kierunek pola magnetycznego podąża za palcami prawej dłoni, jeśli kciuk wskazuje aktualny kierunek.
4. Przesuwanie pętli drutu w kierunku pola magnetycznego lub od niego indukuje prąd w przewodzie. Kierunek prądu zależy od kierunku ruchu.

Teoria Maxwella była sprzeczna z mechaniką Newtona, ale eksperymenty potwierdziły równania Maxwella. Konflikt został ostatecznie rozwiązany przez szczególną teorię względności Einsteina.

Źródła

• Polowanie, Bruce J. (2005). Maxwellowie . Cornell: Wydawnictwo Uniwersytetu Cornella. s. 165–166. ISBN 978-0-8014-8234-2.
• Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (1993). Ilości, jednostki i symbole w chemii fizycznej , wydanie drugie, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 s. 100-1 14-15.
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michaelsen, Umberto (2010). Podstawy stosowanej elektromagnetyki (wyd. 6). Boston: Prentice Hall. p. 13. ISBN 978-0-13-213931-1.