Związek między elektrycznością a magnetyzmem

Elektryczność i magnetyzm są niezależnymi zjawiskami naturalnymi, ale kiedy wchodzą w interakcje, generują siłę zwaną siłą elektromagnetyczną i stanowią elektromagnetyzm , podstawową dyscyplinę fizyki w badaniu różnych zjawisk naturalnych. Wraz z siłą grawitacji siły elektromagnetyczne wyjaśniają makroskopowe zjawiska życia codziennego. Odpowiadają na przykład za interakcje między atomami, tworząc cząsteczki i związki. Inne podstawowe siły natury to siły jądrowe , słabe i silne , które rządzą rozpadem promieniotwórczym i tworzeniem się jąder atomowych .

Elektryczność i magnetyzm to fundamentalne zjawiska pozwalające zrozumieć otaczający nas świat; Zobaczmy poniżej podstawowy opis każdego z nich.

Elektryczność

Elektryczność jest zjawiskiem pochodzącym od stacjonarnych lub poruszających się ładunków elektrycznych . Te ładunki elektryczne można powiązać z cząstką elementarną, elektronem (który ma ładunek ujemny), protonem (który ma ładunek dodatni), jonem lub jakimkolwiek ciałem, które ma nierównowagę ładunków dodatnich i ujemnych, mając w ten sposób siatkę ładunek elektryczny. Ładunki dodatnie i ujemne przyciągają się (na przykład protony przyciągają elektrony), podczas gdy ładunki tego samego znaku odpychają się (na przykład protony odpychają inne protony, a elektrony odpychają inne elektrony). 

Przykładami elektryczności, które możemy znaleźć w naszym codziennym życiu, są wyładowania atmosferyczne, które pojawiają się podczas burzy, prąd elektryczny z gniazdka lub baterii oraz elektryczność statyczna. Jednostki głównych parametrów związanych z elektrycznością, określone przez międzynarodowy układ jednostek SI, to amper ( A ) dla prądu elektrycznego, kulomb ( C ) dla ładunku elektrycznego, wolt ( V ) dla różnicy potencjałów, om lub om ( Ω ) dla oporności elektrycznej i wat ( W ) dla mocy. Stacjonarny ładunek punktowy wytwarza pole elektryczne, ale jeśli ładunek jest w ruchu, generuje również pole magnetyczne.

Magnetyzm

Magnetyzm definiuje się jako zjawisko fizyczne wywołane ruchem ładunku elektrycznego. Z drugiej strony pole magnetyczne może indukować ruch naładowanych cząstek poprzez generowanie prądu elektrycznego. Fala elektromagnetyczna (jak na przykład światło) ma składową pola elektrycznego i składową pola magnetycznego. Fale elektromagnetyczne to fale poprzeczne; dwie składowe fali poruszają się w tym samym kierunku, ale ich składowe elektryczne i magnetyczne są zorientowane prostopadle do kierunku fali, a także prostopadle do siebie.

Podobnie jak elektryczność, magnetyzm wytwarza przyciąganie i odpychanie między przedmiotami. Chociaż zjawiska elektryczne opierają się na istnieniu ładunków dodatnich i ujemnych, monopole magnetyczne nie są znane. Pole magnetyczne generowane przez dowolną cząstkę lub obiekt ma dwa bieguny przyciągania, jeden zwany biegunem północnym, a drugi nazywany biegunem południowym, co upodabnia je do orientacji ziemskiego pola magnetycznego. Podobnie jak bieguny pola magnetycznego generowanego przez magnes odpychają się (na przykład biegun północny odpycha biegun północny), podczas gdy przeciwne bieguny przyciągają się (biegun północny i południowy przyciągają się).

Niektóre znane przykłady magnetyzmu to wyrównanie igły kompasu z polem magnetycznym Ziemi, przyciąganie i odpychanie magnesów oraz pole obserwowane wokół elektromagnesu. Każdy ładunek elektryczny w ruchu generuje pole magnetyczne, więc elektrony atomów krążące wokół jądra generują pole magnetyczne. Przemieszczenie elektronów związane z prądem elektrycznym również generuje pola magnetyczne wokół przewodów przewodzących. Dyski twarde do przechowywania danych komputerowych i głośniki również wykorzystują pola magnetyczne do działania. Jednostkami niektórych głównych parametrów związanych z magnetyzmem, zdefiniowanych przez międzynarodowy system jednostek SI, są tesla ( T) dla gęstości strumienia magnetycznego, Weber ( Wb ) dla strumienia magnetycznego i Henry ( H ) dla indukcyjności.

elektromagnetyzm

Słowo elektromagnetyzm pochodzi z połączenia greckich słów  elektron , co oznacza bursztyn, i  magnetis lithos , co oznacza kamień magnezowy, który jest magnetyczną rudą żelaza. W starożytnej Grecji znali elektryczność i magnetyzm, ale uważali je za odrębne zjawiska.

Teoretyczne podstawy elektromagnetyzmu zostały ujawnione przez Jamesa Clerka Maxwella w książce  A Treatise on Electricity and Magnetism .) opublikowany w 1873 r. W traktacie Maxwell ujawnił matematyczną strukturę elektromagnetyzmu w dwudziestu równaniach, skondensowanych do czterech równań z pochodnymi cząstkowymi. Teoria Maxwella została poparta dowodami eksperymentalnymi. Jeśli chodzi o ładunki elektryczne, zauważył, że równe ładunki odpychają się nawzajem, a różne ładunki elektryczne przyciągają się; Siła przyciągania lub odpychania między ładunkami elektrycznymi jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Jeśli chodzi o bieguny magnetyczne, zawsze istnieją one jako pary północ-południe; Podobnie jak bieguny odpychają się, a w przeciwieństwie do biegunów przyciągają.

Dowody eksperymentalne, które potwierdziły teorię Maxwella dotyczącą związku między elektrycznością a magnetyzmem, obejmują dwa elementy. Pierwsza obserwacja wykazała, że ​​prąd elektryczny krążący w przewodniku generuje pole magnetyczne wokół kabla. Kierunek pola magnetycznego, zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, zależy od kierunku prądu. Można to określić za pomocą reguły prawej ręki; Idealnie owinąwszy drut prawą ręką, umieszczając kciuk w kierunku prądu, kierunek pola magnetycznego podąża za kierunkiem pozostałych palców. Z drugiej strony ruch zamkniętego przewodnika elektrycznego w postaci pętli lub pętli w polu magnetycznym indukuje w przewodzie prąd elektryczny. Kierunek prądu zależy od kierunku ruchu.

Źródła

• Polowanie, Bruce J. (2005). Maxewllianie . Cornell: Cornell University Press. strony 165 i 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 . strony 14 i 15.
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Podstawy elektromagnetyki stosowanej  (wydanie szóste). Boston: Prentice Hall. strona 13. ISBN 978-0-13-213931-1.