Elektricitet och magnetism kan verka som två separata krafter baserade på din vardag. Det mesta av tiden, när du pratar om el, kommer du att hänvisa till elektrisk ström eller elektriska laddningar som driver hushållsapparater från din bärbara dator till något så enkelt som en glödlampa.

Magnetism är inte lika vanligt påträffades, men varje skolbarn kommer tidigare att ha kommit i kontakt med stavmagneter, som har en nordpol och en sydpol, med likadana poler som repellerar och motsatta poler lockar.
Elektricitet och magnetism i fysik -

Detta vardagsförståelse för elektriska laddningar och magnetkraften ger dig en ganska bra grundläggande förståelse för hur elektricitet och magnetism fungerar, men det finns mycket mer att lära sig, från magnetpolernas ursprung till Ohms lag, elektromagnetisk induktion och däröver.

Medan din dagliga upplevelse av elektricitet och magnetism kan få dig genom vardagliga situationer, om du tar fysik på högre nivåer, behöver du en mycket djupare förståelse av fenomenen.

Tack till arbetet med banbrytande fysiker som Michael Faraday och James Clerk Maxwell, forskare förstår nu att elektricitet och magnetism inte är separata krafter alls, utan olika aspekter av en av de fyra grundläggande krafterna: elektromagnetism.

Det viktigaste insikten bakom detta var att magnetfält faktiskt produceras av rörliga elektriska laddningar. Den elektromagnetiska kraften beskrivs fullständigt av Maxwells ekvationer, och i slutet av den här artikeln kommer du att förstå vad var och en är och vad den säger till dig.
Vad är elektricitet?

Elektricitet är det känt namnet för effekten av den elektriska kraften, som i de flesta fall involverar växelverkan mellan protoner (de positivt laddade partiklarna i kärnan i varje atom) och elektroner (de negativt laddade partiklarna som finns i ett moln runt kärnan).

När en laddad partikel ligger nära en annan laddad partikel - till exempel två elektroner nära varandra eller en elektron och en proton nära varandra - har de en interaktion som i allmänhet kan beskrivas med hjälp av Coulombs lag. I stort sett, liksom laddningar avvisar och motsatta laddningar lockar - precis som matchande och motsatta poler på en magnet.

Coulombs lag säger att för två laddningar q
_{1 och < em> q
2, åtskilda med ett avstånd r
, den elektriska kraften har storleken:
F \u003d \\ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}}

Här, k
\u003d 1 /4πε _{0 \u003d 9 × 10 ^{9 N m 2 /C 2 och ε 0 är en konstant som kallas permittiviteten för fritt utrymme . Om du är bekant med lagen om universell gravitation, kommer du att märka att Coulombs lag har en mycket liknande form, med avgifterna i stället för massorna och k
i stället för G
. I synnerhet är båda inversa fyrkantiga lagar, så att flytta laddningen dubbelt så långt bort minskar styrkan hos styrkan med en faktor på fyra.}}

Men du kan också beskriva den elektriska kraften med begreppet elektriska fält, som definieras som styrkan på kraften på en "testladdning", och definieras i hela rymden med ett värde i Newton per Coulomb.

Det elektriska fältet är dock en vektor, så det har båda en styrka och en riktning. Medan du kan definiera det elektriska fältstyrkan E
helt enkelt som E
\u003d F
/ q
, där q
är testavgiften, den mest användbara ekvationen för detta är Gauss lag, en av Maxwells ekvationer, som kommer att täckas senare.
Vad är magnetism?

Magnetism är lite mer komplicerat än el att beskriva på ett matematiskt sätt, men de grundläggande principerna är mycket lika. Precis som elektriska krafter beskrivs som inträffar mellan positiva laddningar och negativa laddningar, så beskrivs magnetiska krafter som inträffar mellan nordpoler och sydpoler (eller positiva och negativa poler) för magneter.

På exakt samma sätt som för elektriska krafter, som poler stöter, och motsatta poler lockar. Magnetkrafter kan också beskrivas med hjälp av begreppet magnetfält, som - liksom elektriska fält - är osynliga fält som genomsyrar utrymme och representerar magnetkraftens förmåga att ändra hastigheten hos laddade partiklar i närheten.

Emellertid finns magnetpoler endast i par, som dipoler - det finns inga magnetiska monopoler. Om magnetiska monopol fanns, skulle det finnas en enkel lag som Coulombs lag som tillämpades på magnetism snarare än elektricitet, men magnetism är i sig lite mer komplicerad än detta, och magnetiska krafter tenderar att beskrivas baserat på magnetfält som genereras av specifika källor. Till exempel finns det en ekvation för magnetfältet för en magnetventil, fältet som produceras av en tråd som bär en elektrisk ström och så vidare.

Magnetfält mäts vanligtvis i enheter av antingen Teslas (T) - benämnd efter fysiker Nikola Tesla - eller gauss (G) - uppkallad efter Carl Friedrich Gauss - och 1 T \u003d 10.000 G. Detta är tekniskt ett mått på magnetisk flödestäthet, men för att undvika att fastna i de exakta detaljerna är det säkert att bara tänka på detta innebär ungefär samma sak.

En stark magnet i ett labb kommer att ha ett värde på cirka 1 ton, medan en kylskåpsmagnet kommer att vara mer som 0,1 ton, så Gauss är ofta den bättre enheten att använda för vardagliga magnetfält.
Lorentz Force Law and Magnetism

Om du inte vill arbeta med Maxwells ekvationer, som i allmänhet är mycket mer komplicerade, är det bästa sättet att beräkna magnetismkraften att använda Lorentz tvingar lag. Detta är en lag som omfattar både magnetiska och elektriska fält, som kombinerar två olika termer för att förutsäga den kraft som tillförs en partikel under påverkan av båda och riktningen för den resulterande kraften.

För magnetkraften är den relevanta del av Lorentz-kraftlagen är:
\\ bold {F} \u003d q \\ bold {v × B}

Där q
är laddningen för partikeln som reser genom fältet, är v dess (vektor) hastighet, och B är magnetfältet. Du bör också notera att symbolen × inte är en enkel multiplikation utan istället en vektorprodukt som producerar en kraft i en riktning som ges av högerregeln. Helt enkelt ges styrkan hos den kraft som tillförs partikeln av:
F \u003d qvB \\ sin (θ)

Där vinkeln θ
är vinkeln mellan riktningen för hastigheten på partikel och magnetfältet. Detta säger omedelbart att interaktionen är starkast när partikeln rör sig i en 90-graders vinkel (dvs vinkelrätt) mot magnetfältet.
Lorentz Force Law