Sähkön ja magnetismin suhde

Sähkö ja magnetismi ovat itsenäisiä luonnonilmiöitä, mutta vuorovaikutuksessa ne synnyttävät sähkömagneettiseksi voimaksi kutsutun voiman ja muodostavat sähkömagnetismin , fysiikan perustieteen erilaisten luonnonilmiöiden tutkimisessa. Painovoiman ohella sähkömagneettiset voimat selittävät arjen makroskooppisia ilmiöitä. Ne vastaavat esimerkiksi atomien välisistä vuorovaikutuksista, jotka muodostavat molekyylejä ja yhdisteitä. Muita luonnon perusvoimia ovat ydinvoimat , heikot ja vahvat , jotka hallitsevat radioaktiivista hajoamista ja atomiytimien muodostumista.

Sähkö ja magnetismi ovat perustavanlaatuisia ilmiöitä ympäröivän maailman ymmärtämisessä; Katsotaanpa alla peruskuvaus jokaisesta niistä.

Sähkö

Sähkö on ilmiö, joka syntyy kiinteistä tai liikkuvista sähkövarauksista . Nämä sähkövaraukset voidaan liittää alkuainehiukkaseen, elektroniin (jolla on negatiivinen varaus), protoniin (jolla on positiivinen varaus), ioniin tai mihin tahansa kappaleeseen, jossa on positiivisten ja negatiivisten varausten epätasapaino, joten sillä on netto sähkövaraus. Positiiviset ja negatiiviset varaukset vetävät toisiaan puoleensa (esimerkiksi protonit vetävät puoleensa elektroneja), kun taas samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan (esimerkiksi protonit hylkivät muita protoneja ja elektronit hylkivät muita elektroneja). 

Esimerkkejä jokapäiväisessä elämässämme esiintyvästä sähköstä ovat myrskyn aikana syntyvä salama, pistorasiasta tai akusta tuleva sähkövirta ja staattinen sähkö. Kansainvälisen SI-yksikköjärjestelmän määrittelemien sähköön liittyvien pääparametrien yksiköt ovat sähkövirran ampeeri ( A ), sähkövarauksen coulomb ( C ), potentiaalieron voltti ( V ), ohm tai ohm ( Ω ) sähkövastus ja watti ( W ) teho. Kiinteä pistevaraus synnyttää sähkökentän, mutta jos varaus on liikkeessä, se synnyttää myös magneettikentän.

Magnetismi

Magnetismi määritellään fysikaaliseksi ilmiöksi, joka syntyy sähkövarauksen liikkeestä. Toisaalta magneettikenttä voi indusoida varautuneiden hiukkasten liikkeen tuottamalla sähkövirtaa. Sähkömagneettisella aallolla (kuten esimerkiksi valolla) on sähkökenttäkomponentti ja magneettikenttäkomponentti. Sähkömagneettiset aallot ovat poikittaisaaltoja; aallon kaksi komponenttia kulkevat samaan suuntaan, mutta niiden sähköiset ja magneettiset komponentit ovat kohtisuorassa aallon suuntaan nähden ja myös kohtisuorassa toisiaan vastaan.

Kuten sähkö, magnetismi tuottaa vetoa ja hylkimistä esineiden välillä. Vaikka sähköilmiöt perustuvat positiivisten ja negatiivisten varausten olemassaoloon, magneettisia monopoleja ei tunneta. Minkä tahansa hiukkasen tai esineen tuottamassa magneettikentässä on kaksi vetonapaa, joista toista kutsutaan pohjoisnapaksi ja toista etelänapaksi, mikä yhdistää ne Maan magneettikentän suuntaukseen. Kuten magneetin synnyttämän magneettikentän navat hylkivät toisiaan (esimerkiksi pohjoisnapa hylkii pohjoisnapaa), kun taas vastakkaiset navat vetävät toisiaan puoleensa (pohjoinen napa ja etelänapa vetävät toisiaan).

Joitakin tuttuja esimerkkejä magnetismista ovat kompassin neulan kohdistaminen Maan magneettikenttään, magneettien vetovoima ja hylkiminen sekä sähkömagneetin ympärillä havaittu kenttä. Jokainen liikkeessä oleva sähkövaraus synnyttää magneettikentän, joten atomien elektronit, kun ne kiertävät ytimen ympäri, muodostavat magneettikentän. Sähkövirtaan liittyvä elektronien siirtyminen synnyttää myös magneettikenttiä johtavien johtimien ympärille. Tietojen tallennuskiintolevyt ja kaiuttimet käyttävät myös magneettikenttiä toimiessaan. Joidenkin tärkeimpien magnetismiin liittyvien parametrien yksiköt, jotka määritellään kansainvälisessä SI-yksikköjärjestelmässä, ovat tesla ( T) magneettivuon tiheydelle, Weber ( Wb ) magneettivuolle ja Henry ( H ) induktanssille.

sähkömagnetismi

Sana sähkömagnetismi tulee yhdistelmästä kreikan sanoista  elektron , joka tarkoittaa meripihkaa, ja  magnetis lithos , joka tarkoittaa magnesiumkiveä, joka on magneettinen rautamalmi. Muinaisessa Kreikassa he tunsivat sähkön ja magnetismin, mutta pitivät niitä erillisinä ilmiöinä.

Sähkömagnetismin teoreettiset perusteet paljastettiin James Clerk Maxwellin kirjassa  A Treatise on Electricity and Magnetism .) julkaistiin vuonna 1873. Maxwell paljasti tutkielmassa sähkömagnetismin matemaattisen rakenteen kahdessakymmenessä yhtälössä, jotka on tiivistetty neljään yhtälöön osittaisilla derivaatoilla. Maxwellin teoriaa tuki kokeellinen näyttö. Sähkövarauksista hän havaitsi, että samat varaukset hylkivät toisiaan ja eri sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa; Sähkövarausten välinen veto- tai hylkimisvoima on kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Mitä tulee magneettinapoihin, ne esiintyvät aina pohjois-etelä-pareina; Kuten pylväät hylkivät toisiaan ja toisin kuin pylväät vetävät puoleensa.

Kokeelliset todisteet, jotka tukivat Maxwellin teoriaa sähkön ja magnetismin välisestä suhteesta, sisältävät kaksi elementtiä. Ensimmäinen havainto osoittaa, että johtimessa kiertävä sähkövirta synnyttää magneettikentän kaapelin ympärille. Magneettikentän suunta myötäpäivään vastapäivään riippuu virran suunnasta. Tämä voidaan määrittää oikean käden säännöllä; Ihannetapauksessa käärimällä oikean kätesi langan ympärille asettamalla peukalo virran suuntaan, magneettikentän suunta seuraa muiden sormiesi suuntaa. Toisaalta suljetun sähköjohtimen liike silmukan tai silmukan muodossa magneettikentässä indusoi sähkövirran johdossa. Virran suunta riippuu liikkeen suunnasta.

Lähteet

• Hunt, Bruce J. (2005). Maxewllilaiset . Cornell: Cornell University Press. sivut 165 ja 166. ISBN 978-0-8014-8234-2.
• International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Fysikaalisen kemian määrät, yksiköt ja symbolit , toinen painos, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. sivut 14 ja 15.
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Sovelletun sähkömagnetiikan perusteet  (kuudes painos). Boston: Prentice Hall. sivu 13. ISBN 978-0-13-213931-1.