ความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก

ไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เป็นอิสระต่อกัน แต่เมื่อพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กัน พวกมันจะสร้างแรงที่เรียกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและประกอบเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นระเบียบวินัยพื้นฐานทางฟิสิกส์ในการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติต่างๆ นอกจากแรงโน้มถ่วงแล้วแรงแม่เหล็กไฟฟ้ายังอธิบายปรากฏการณ์มหภาคในชีวิตประจำวัน มีหน้าที่รับผิดชอบ เช่น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมเพื่อสร้างโมเลกุลและสารประกอบ แรงพื้นฐานอื่นๆ ของธรรมชาติ ได้แก่แรงนิวเคลียร์แรง ที่อ่อนและแรงซึ่งควบคุมการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีและการก่อตัวของนิวเคลียสของอะตอม

ไฟฟ้าและแม่เหล็กเป็นปรากฏการณ์พื้นฐานในการทำความเข้าใจโลกรอบตัวเรา มาดูคำอธิบายพื้นฐานของแต่ละรายการด้านล่าง

ไฟฟ้า

ไฟฟ้าเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ ประจุไฟฟ้าเหล่านี้สามารถเชื่อมโยงกับอนุภาคมูลฐาน อิเล็กตรอน (ซึ่งมีประจุเป็นลบ) โปรตอน (ซึ่งมีประจุเป็นบวก) ไอออนหรือวัตถุใดๆ ที่มีประจุบวกและลบไม่สมดุลกัน ดังนั้น จึงมีโครงข่าย ค่าไฟฟ้า ประจุบวกและประจุลบดึงดูดซึ่งกันและกัน (เช่น โปรตอนดึงดูดอิเล็กตรอน) ในขณะที่ประจุของเครื่องหมายเดียวกันผลักกัน (เช่น โปรตอนผลักโปรตอนอีกตัวและอิเล็กตรอนผลักอิเล็กตรอนตัวอื่น) 

ตัวอย่างของไฟฟ้าที่เราสามารถพบได้ในชีวิตประจำวันของเรา ได้แก่ ฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นขณะเกิดพายุ กระแสไฟฟ้าจากเต้ารับหรือแบตเตอรี่ และไฟฟ้าสถิตย์ หน่วยของพารามิเตอร์หลักที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าที่กำหนดโดยระบบสากลของหน่วย SI ได้แก่ แอมแปร์ ( A ) สำหรับกระแสไฟฟ้า คูลอมบ์ ( C ) สำหรับประจุไฟฟ้า โวลต์ ( V ) สำหรับความต่างศักย์ โอห์มหรือโอห์ม ( Ω ) สำหรับความต้านทานไฟฟ้า และวัตต์ ( W ) สำหรับกำลัง ประจุไฟฟ้าแบบจุดอยู่กับที่จะสร้างสนามไฟฟ้า แต่ถ้าประจุเคลื่อนที่ ประจุไฟฟ้าก็จะสร้างสนามแม่เหล็กด้วย

ความเป็นแม่เหล็ก

อำนาจแม่เหล็กหมายถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ในทางกลับกัน สนามแม่เหล็กสามารถเหนี่ยวนำการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุได้โดยการสร้างกระแสไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น แสง เป็นต้น) มีส่วนประกอบของสนามไฟฟ้าและส่วนประกอบของสนามแม่เหล็ก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นตามขวาง ส่วนประกอบทั้งสองของคลื่นเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกัน แต่ส่วนประกอบทางไฟฟ้าและแม่เหล็กจะตั้งฉากกับทิศทางของคลื่น และยังตั้งฉากกันอีกด้วย

เช่นเดียวกับไฟฟ้า แม่เหล็กสร้างแรงดึงดูดและแรงผลักระหว่างวัตถุ แม้ว่าปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของประจุบวกและประจุลบ แต่ก็ไม่ทราบถึงขั้วแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กที่เกิดจากอนุภาคหรือวัตถุใด ๆ มีขั้วดึงดูดอยู่ 2 ขั้ว ขั้วหนึ่งเรียกว่า ขั้วเหนือ และอีกขั้วหนึ่งเรียกว่า ขั้วใต้ ซึ่งรวมเข้ากับทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก เช่นเดียวกับขั้วของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กจะผลักกัน (เช่น ขั้วเหนือจะผลักขั้วเหนือ) ในขณะที่ขั้วตรงข้ามจะดึงดูดซึ่งกันและกัน (ขั้วเหนือและขั้วใต้จะดึงดูดกัน)

ตัวอย่างที่คุ้นเคยของอำนาจแม่เหล็ก ได้แก่ การวางตำแหน่งของเข็มทิศกับสนามแม่เหล็กโลก แรงดึงดูดและแรงผลักของแม่เหล็ก และสนามที่สังเกตได้รอบๆ แม่เหล็กไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่แต่ละครั้งสร้างสนามแม่เหล็ก ดังนั้นอิเล็กตรอนของอะตอมเมื่อโคจรรอบนิวเคลียสจึงสร้างสนามแม่เหล็ก การกระจัดของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้ายังสร้างสนามแม่เหล็กรอบๆ สายไฟ ฮาร์ดไดรฟ์เก็บข้อมูลคอมพิวเตอร์และลำโพงยังใช้สนามแม่เหล็กในการทำงาน หน่วยของพารามิเตอร์หลักบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก ซึ่งกำหนดโดยระบบระหว่างประเทศของหน่วย SI คือเทสลา ( T) สำหรับความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก Weber ( Wb ) สำหรับฟลักซ์แม่เหล็ก และ Henry ( H ) สำหรับค่าความเหนี่ยวนำ

แม่เหล็กไฟฟ้า

คำว่าแม่เหล็กไฟฟ้ามาจากการรวมกันของคำภาษากรีก  elektronซึ่งหมายถึงอำพัน และ  magnetis lithosซึ่งหมายถึงหินแมกนีเซียมซึ่งเป็นแร่เหล็กแม่เหล็ก ในสมัยกรีกโบราณ พวกเขาคุ้นเคยกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก แต่ถือว่าทั้งสองเป็นปรากฏการณ์ที่แยกจากกัน

ฐานทางทฤษฎีของแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการเปิดเผยโดย James Clerk Maxwell ในหนังสือ  บทความเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็ก) เผยแพร่ในปี พ.ศ. 2416 ในบทความแมกซ์เวลล์ได้เปิดเผยโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ของแม่เหล็กไฟฟ้าในสมการ 20 สมการ โดยย่อเป็น 4 สมการที่มีอนุพันธ์บางส่วน ทฤษฎีของ Maxwell ได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานการทดลอง เกี่ยวกับประจุไฟฟ้า เขาสังเกตว่าประจุที่เท่ากันจะผลักกันและประจุไฟฟ้าที่ต่างกันจะดึงดูดกัน แรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้าจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้า สำหรับขั้วแม่เหล็กนั้น พวกมันจะอยู่เป็นคู่เหนือ-ใต้เสมอ เหมือนขั้วผลักกัน ขั้วต่างดึงดูดกัน

หลักฐานการทดลองที่สนับสนุนทฤษฎีของแมกซ์เวลล์เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กมีสององค์ประกอบ ข้อสังเกตประการแรกระบุว่ากระแสไฟฟ้าที่หมุนเวียนในตัวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบๆ สายเคเบิล ทิศทางของสนามแม่เหล็กตามเข็มนาฬิกาถึงทวนเข็มนาฬิกาขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแส สิ่งนี้สามารถกำหนดได้ด้วยกฎมือขวา การพันมือขวาของคุณรอบเส้นลวดโดยวางนิ้วหัวแม่มือในทิศทางของกระแส ทิศทางของสนามแม่เหล็กจะเป็นไปตามทิศทางของนิ้วอื่นๆ ของคุณ ในทางกลับกัน การเคลื่อนที่ของตัวนำไฟฟ้าแบบปิดในรูปของห่วงหรือห่วงในสนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในเส้นลวด ทิศทางของกระแสขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่

แหล่งที่มา

• ฮันท์, บรูซ เจ. (2548). แม็กซ์วิลเลี่ยน . คอร์เนล: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยคอร์เนล. หน้า 165 และ 166 ISBN 978-0-8014-8234-2
• สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (2536) ปริมาณ หน่วย และสัญลักษณ์ในเคมีเชิงฟิสิกส์ , Second Edition, Oxford: Blackwell Science ไอ 0-632-03583-8. หน้า 14 และ 15
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010) พื้นฐานของแม่เหล็กไฟฟ้าประยุกต์  (พิมพ์ครั้งที่หก) บอสตัน: ศิษย์ฮอลล์. หน้า 13. ISBN 978-0-13-213931-1.