ما هي 3 أوجه التشابه بين المغناطيس والكهرباء؟

المحتوى

• 1 - يأتون في نوعين مختلفين
• 2 - قوتها النسبية مقارنة بقوى أخرى
• 3 - الكهرباء والمغناطيسية وجهان لنفس الظاهرة
• المجالات الكهربائية والمغناطيسية
• إذن من أين تأتي المغناطيسية حقًا؟
• حمل الأسلاك الحالية إنشاء مجال مغناطيسي
• ولكن ماذا عن شريط المغناطيس؟ من أين تأتي مغناطيسيتهم؟
• ولكن انتظر هناك المزيد!
• التشابه بين القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية
• العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية

القوى الكهربائية والمغناطيسية هي قوتان موجودة في الطبيعة. في حين أنها قد تبدو مختلفة للوهلة الأولى ، فإنها تنشأ من الحقول المرتبطة بالجزيئات المشحونة. لدى القوتان ثلاثة أوجه تشابه رئيسية ، ويجب عليك معرفة المزيد حول كيفية ظهور هذه الظواهر.

1 - يأتون في نوعين مختلفين

الشحنات تأتي بأصناف موجبة (+) وسالبة (-). حامل الشحنة الموجبة الأساسي هو البروتون وحامل الشحن السالب هو الإلكترون. كلاهما له شحنة بحجم e = 1.602 × 10^-19 المعلقات.

الأضداد تجذب ، وتحب الطرد ؛ شحنتين موجبتين وضعت بالقرب من بعضهما البعض صدأو تجربة القوة التي تميزهم. وينطبق الشيء نفسه على اثنين من الشحنات السلبية. شحنة إيجابية وسلبية ، ومع ذلك ، سوف جذب بعضهم البعض.

الجاذبية بين الشحنات الموجبة والسالبة هي ما يجعل معظم العناصر محايدة كهربائيا. نظرًا لوجود عدد مماثل من الشحنات الإيجابية في الكون ، والقوى الجذابة والمثيرة تتصرف بالطريقة التي تعمل بها ، تميل التهم إلى إبطال مفعول، أو إلغاء بعضها البعض.

المغناطيس ، بالمثل ، له أقطاب الشمال والجنوب. سوف يقوم القطبان الشماليان المغنطيانيان بصد بعضهما البعض وكذلك القطبان الجنوبيان المغناطيسيان ، لكن القطب الشمالي والقطب الجنوبي سوف يجذبان بعضهما البعض.

لاحظ أن ظاهرة أخرى ربما تكون على دراية بها ، الجاذبية ، ليست هكذا. الجاذبية هي قوة جذابة بين كتلتين. هناك نوع واحد فقط من الكتلة. إنه لا يأتي في أنواع إيجابية وسلبية مثل الكهرباء والمغناطيسية. وهذا النوع من الكتلة دائمًا ما يكون جذابًا وغير مثير للاشمئزاز.

هناك فرق واضح بين المغناطيس والشحنات ، مع ذلك ، حيث يبدو المغناطيس دائمًا ثنائي القطب. أي أن أي مغنطيس معين سيكون له دائمًا قطب شمالي وجنوبي. لا يمكن فصل القطبين.

يمكن أيضًا إنشاء ثنائي القطب الكهربائي عن طريق وضع شحنة موجبة وسالبة على بعد مسافة صغيرة ، لكن من الممكن دائمًا فصل هذه الشحنات مرة أخرى. إذا كنت تتخيل مغنطيسًا بارًا به أقطابه الشمالية والجنوبية ، وكنت تحاول قطعه إلى النصف لتكوين فصلين منفصلين بين الشمال والجنوب ، فبدلاً من ذلك ستكون النتيجة مغناطيسين أصغر ، مع القطبين الشمالي والجنوبي.

2 - قوتها النسبية مقارنة بقوى أخرى

إذا قارنا الكهرباء والمغناطيسية بقوى أخرى ، فسنرى بعض الاختلافات الواضحة. القوى الأساسية الأربعة للكون هي القوى القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة والجاذبية. (لاحظ أن القوى الكهربية والمغناطيسية موصوفة بنفس الكلمة المفردة - المزيد حول هذا الموضوع بشكل طفيف.)

إذا أخذنا في الاعتبار أن القوة القوية - القوة التي تحتفظ النواة ببعضها البعض داخل الذرة - لها قوة 1 ، فإن الكهرباء والمغناطيسية يكونان في الحجم النسبي 1/137. القوة الضعيفة - المسؤولة عن اضمحلال بيتا - لها قوة نسبية تبلغ 10^-6، وقوة الجاذبية لها حجم نسبي قدره 6 × 10^-39.

تقرأ هذا الحق. لم يكن خطأ مطبعي. قوة الجاذبية قوية للغاية مقارنة بكل شيء آخر. قد يبدو هذا غير بديهي - بعد كل شيء ، الجاذبية هي القوة التي تحافظ على حركة الكواكب وتبقي أقدامنا على الأرض! لكن فكر في ما يحدث عندما تلتقط مشبكًا بمغناطيس أو منديل بالكهرباء الساكنة.

يمكن للقوة التي تسحب المغناطيس الصغير أو العنصر المشحون بشكل ثابت أن تتصدى لقوة الجاذبية للأرض بأكملها التي تسحب مشبك الورق أو النسيج! نحن نعتقد أن الجاذبية أقوى بكثير ليس لأنها ، ولكن لأن لدينا قوة الجاذبية لكامل الكرة الأرضية تعمل علينا في جميع الأوقات ، نظرًا لطبيعتها الثنائية ، فإن الشحنات والمغناطيس غالباً ما تقوم بترتيب نفسها بحيث تكون تحييدها.

3 - الكهرباء والمغناطيسية وجهان لنفس الظاهرة

إذا نظرنا عن كثب وقمنا بمقارنة الكهرباء والمغناطيسية فعلاً ، فإننا نرى أنه على مستوى أساسي هما جانبان من نفس الظاهرة المسماة الكهرومغناطيسية. قبل أن نصف هذه الظاهرة بالكامل ، دعنا نتفهم بشكل أعمق المفاهيم المعنية.

المجالات الكهربائية والمغناطيسية

ما هو المجال؟ من المفيد في بعض الأحيان التفكير في شيء يبدو أكثر دراية. الجاذبية ، مثل الكهرباء والمغناطيسية ، هي أيضًا قوة تخلق مجالًا. تخيل منطقة الفضاء حول الأرض.

ستشعر أي كتلة معينة في الفضاء بقوة تعتمد على حجم كتلتها وعلى بعدها عن الأرض. لذلك نتخيل أن الفضاء حول الأرض يحتوي على حقل، أي ، القيمة المعينة لكل نقطة في الفضاء والتي تعطي بعض المؤشرات على حجمها الكبير نسبياً ، وفي أي اتجاه ، ستكون القوة المقابلة. حجم مجال الجاذبية مسافة ص من الكتلة M، على سبيل المثال ، يتم تقديمها بواسطة الصيغة:

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

أين G هو ثابت الجاذبية العالمي 6.67408 × 10^-11 م³/ (كلغ²). سيكون الاتجاه المرتبط بهذا الحقل في أي نقطة معينة هو ناقل الوحدة الذي يشير إلى مركز الأرض.

الحقول الكهربائية تعمل بنفس الطريقة. حجم الحقل الكهربائي مسافة ص من تهمة نقطة ف يتم إعطاء بواسطة الصيغة:

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

أين ك هو Coulomb ثابت 8.99 × 10⁹ نانومتر²/ C². اتجاه هذا المجال في أي نقطة معينة هو نحو التهمة ف إذا ف هو سلبي ، وبعيدا عن التهمة ف إذا ف هو إيجابي.

لاحظ أن هذه الحقول تطيع قانون التربيع العكسي ، لذلك إذا تحركت مرتين بعيدًا ، فسيصبح الحقل ربع القوة. لإيجاد المجال الكهربائي الناتج عن شحنات متعددة النقاط ، أو توزيع مستمر للشحن ، سنجد ببساطة التراكب أو إجراء تكامل للتوزيع.

الحقول المغناطيسية أصعب قليلاً لأن المغناطيس دائمًا ما يكون ثنائي القطب. غالبًا ما يتم تمثيل حجم المجال المغناطيسي بالحرف ب، والصيغة الدقيقة لذلك يعتمد على الوضع.

إذن من أين تأتي المغناطيسية حقًا؟

لم تكن العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية واضحة للعلماء إلا بعد عدة قرون من الاكتشافات الأولية لكل منهم. أدت بعض التجارب الرئيسية التي تستكشف التفاعل بين هاتين الظاهرتين في النهاية إلى فهمنا اليوم.

حمل الأسلاك الحالية إنشاء مجال مغناطيسي

في أوائل القرن التاسع عشر ، اكتشف العلماء لأول مرة أن إبرة البوصلة المغناطيسية يمكن أن تنحرف عندما تُحمل بالقرب من سلك يحمل تيارًا. اتضح أن سلك الحمل الحالي يخلق مجال مغناطيسي. هذا المجال المغناطيسي مسافة ص من سلك طويل بلا حدود يحمل التيار أنا يتم إعطاء بواسطة الصيغة:

B = { mu_0 I أعلاه {1pt} 2 pi r}

أين μ₀ هو نفاذية فراغ 4_π_ × 10^-7 N / A². يتم إعطاء اتجاه هذا المجال من قبل حكم اليد اليمنى - ضع إبهام يدك اليمنى في اتجاه التيار ، ثم لف إصبعك حول السلك في دائرة تشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي.

أدى هذا الاكتشاف إلى إنشاء مغناطيس كهربائي. تخيل أخذ سلك الحمل الحالي ولفه في ملف. سيبدو اتجاه الحقل المغناطيسي الناتج كحقل ثنائي القطب لمغناطيس الشريط!

••• pixabay

ولكن ماذا عن شريط المغناطيس؟ من أين تأتي مغناطيسيتهم؟

يتم إنشاء المغناطيسية في مغنطيس العارضة بواسطة حركة الإلكترونات في الذرات التي تتكون منها. الشحنة المتحركة في كل ذرة تخلق مجال مغناطيسي صغير. في معظم المواد ، يتم توجيه هذه الحقول بكل الطرق ، مما يؤدي إلى عدم وجود مغناطيس صافي كبير. ولكن في بعض المواد ، مثل الحديد ، يسمح تركيب المواد بأن تصبح هذه الحقول متجانسة.

لذا فإن المغناطيسية هي في الحقيقة مظهر من مظاهر الكهرباء!

ولكن انتظر هناك المزيد!

اتضح أن المغناطيسية لا تنتج فقط عن الكهرباء ، ولكن يمكن توليد الكهرباء من المغناطيسية. تم هذا الاكتشاف بواسطة مايكل فاراداي. بعد وقت قصير من اكتشاف ارتباط الكهرباء والمغناطيسية ، وجد فاراداي طريقة لتوليد التيار في ملف الأسلاك من خلال تغيير المجال المغناطيسي الذي يمر عبر مركز الملف.

قانون فاراداي ينص على أن التيار المستحث في ملف سوف يتدفق في اتجاه يعارض التغيير الذي تسبب فيه. والمقصود بهذا هو أن التيار المستحث سوف يتدفق في اتجاه يولد مجال مغناطيسي يعارض المجال المغناطيسي المتغير الذي تسبب فيه. في جوهرها ، فإن التيار المستحث يحاول ببساطة مواجهة أي تغييرات في المجال.

لذلك إذا كان المجال المغناطيسي الخارجي يشير إلى الملف ثم زاد في الحجم ، فإن التيار سوف يتدفق في مثل هذا الاتجاه لإنشاء مجال مغناطيسي يشير خارج الحلقة من أجل مواجهة هذا التغيير. إذا كان المجال المغناطيسي الخارجي يشير إلى الملف وينخفض ​​في الحجم ، فسوف يتدفق التيار في هذا الاتجاه لإنشاء مجال مغناطيسي يشير أيضًا إلى الملف من أجل مواجهة التغيير.

أدى اكتشاف فاراداي إلى التكنولوجيا وراء مولدات الطاقة الحالية. من أجل توليد الكهرباء ، يجب أن يكون هناك طريقة لتغيير المجال المغناطيسي الذي يمر عبر لفائف الأسلاك. يمكنك أن تتخيل تحويل لفائف الأسلاك في وجود مجال مغناطيسي قوي من أجل تفعيل هذا التغيير. وغالبًا ما يتم ذلك بالوسائل الميكانيكية ، مثل التوربينات التي يتم نقلها بواسطة الرياح أو المياه المتدفقة.

••• pixabay

التشابه بين القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية

أوجه التشابه بين القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية كثيرة. كلا القوتين تتصرف بتهمة ولها أصول في نفس الظاهرة. كل من القوات لديها نقاط قوة مماثلة ، كما هو موضح أعلاه.

القوة الكهربائية على تهمة ف بسبب الحقل E اعطي من قبل:

مركزنا {F} = ف مركزنا {E}

القوة المغناطيسية في تهمة ف تتحرك بسرعة الخامس بسبب الحقل ب يعطى بموجب قانون قوة لورنتز:

مركزنا {F} = ف مركزنا {ضد} مرات مركزنا {B}

صيغة أخرى لهذه العلاقة هي:

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

أين أنا هو الحالي و L طول السلك أو المسار الموصّل في الحقل.

بالإضافة إلى أوجه التشابه الكثيرة بين القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية ، هناك أيضًا بعض الاختلافات الواضحة. لاحظ أن القوة المغناطيسية لن تؤثر على شحنة ثابتة (إذا كانت v = 0 ، ثم F = 0) أو شحنة تتحرك بالتوازي مع اتجاه الحقل (الذي ينتج عنه 0 منتج متقاطع) ، وفي الواقع الدرجة التي أفعال القوة المغناطيسية تختلف مع الزاوية بين السرعة والحقل.

العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية

اشتق جيمس كليرك ماكسويل مجموعة من أربع معادلات تلخص العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية رياضيا. هذه المعادلات هي كما يلي:

triangledown cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} {} triangledown cdot vec {B} = 0 {} triangledown times vec {E} = - dfrac { جزئي vec {B}} { جزئي t} {} triangledown times vec {B} = mu_0 vec {J} + mu_0 epsilon_0 dfrac { جزئي vec {E}} { جزئي ر}

كل الظواهر التي نوقشت سابقا يمكن وصفها مع هذه المعادلات الأربع. لكن الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه بعد اشتقاقهم ، تم العثور على حل لهذه المعادلات لا يبدو متسقًا مع ما كان معروفًا من قبل. وصف هذا الحل الموجة الكهرومغناطيسية ذاتية الانتشار. ولكن عندما تم اشتقاق هذه الموجة ، تم تحديد ما يلي:

dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299،792،485 م / ث

هذه هي سرعة الضوء!

ما الاهمية من هذا؟ حسنًا ، اتضح أن الضوء ، وهي ظاهرة كان العلماء يستكشفون خصائصها لبعض الوقت ، كانت في الواقع ظاهرة كهرومغناطيسية. هذا هو السبب اليوم الذي تراه المشار إليها باسم الاشعاع الكهرومغناطيسي.

••• pixabay