Av GAYLE TOWELL • Uppdaterad 24 mars 2022
Elektricitet och magnetism är två grundläggande krafter som uppstår från laddade partiklar. Även om de manifesterar sig olika, är deras underliggande principer slående lika. Nedan undersöker vi de tre primära gemensamma egenskaperna som förenar dessa krafter.
Både elektriska laddningar och magnetiska poler finns i komplementära par. Elektriska laddningar finns i positiva (+) och negativa (–) varianter, som bärs av protoner respektive elektroner. Motsatta laddningar attraherar medan liknande laddningar stöter bort, ett beteende som håller de flesta makroskopiska objekt elektriskt neutrala.
På liknande sätt har magneter nord- och sydpoler. Två nordpoler – eller två sydpoler – stöter bort, medan en nord- och en sydpol attraherar. Till skillnad från gravitationen, som bara attraherar, har elektricitet och magnetism både attraktiva och frånstötande interaktioner.
Medan en magnet i sig är en dipol - dess poler kan inte separeras - kan elektriska dipoler bildas genom att placera en positiv och negativ laddning ett litet avstånd från varandra. Dipolen kan neutraliseras genom att omorientera en av laddningarna, vilket understryker kontrasten mellan magnetiska och elektriska dipoler.
Den elektromagnetiska kraften, som omfattar både elektriska och magnetiska effekter, är mycket starkare än gravitationen men svagare än de starka och svaga kärnkrafterna. I relativa termer, om den starka kraften normaliseras till 1, mäter den elektromagnetiska kraften ungefär 1/137, den svaga kraften ungefär 10 -6 , och gravitationen oändligt 6×10 -39 .
Trots sin jämförelsevis svaga storlek dominerar elektromagnetism vardagliga interaktioner eftersom laddningar och magnetiska moment vanligtvis inte neutraliseras; de kan utöva krafter som lätt övervinner jordens gravitationskraft på små föremål.
Historiskt sett upptäcktes elektricitet och magnetism som distinkta fenomen. Men arbetet av forskare som Michael Faraday och James Clerk Maxwell avslöjade dem som två aspekter av ett enda elektromagnetiskt fält.
Faradays experiment visade att ett förändrat magnetfält inducerar en elektrisk ström i en spole - en princip som ligger till grund för alla elektriska generatorer. Maxwells fyra ekvationer formaliserade detta förhållande ytterligare och förutspådde att elektromagnetiska vågor fortplantar sig med ljusets hastighet:
\(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}} =299 792 485\;\text{m/s}\)
Ljuset i sig är alltså en elektromagnetisk våg som illustrerar den djupa enheten mellan dessa krafter.
Precis som gravitationen beskrivs av ett fält, kännetecknar elektriska och magnetiska fält hur krafter verkar över rymden. Det elektriska fältet som genereras av en punktladdning q på avstånd r är:
\(E =\frac{kq}{r^2}\)
där k =8,99×10 9 N·m²/C². Fältet pekar bort från positiva laddningar och mot negativa laddningar.
För en lång rak strömförande tråd, magnetfältet på avstånd r är:
\(B =\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\)
med μ ₀ =4π×10 -7 N/A². Riktningen följer högerregeln.
Den elektriska kraften på en laddning q i ett elektriskt fält E är:
\(\vec{F} =q\vec{E}\)
Den magnetiska kraften på en rörlig laddning ges av Lorentz kraftlag:
\(\vec{F} =q\vec{v} \times \vec{B}\)
För ett nuvarande I flyter genom en längd L i ett magnetfält blir kraften:
\(\vec{F} =I\vec{L} \times \vec{B}\)
I ferromagnetiska material som järn producerar elektronernas inneboende rörelse mikroskopiska magnetiska moment som är parallella med varandra, vilket skapar makroskopisk magnetism. Detta visar att magnetism i grunden är en elektrisk effekt.
Omvänt kan elektricitet genereras från magnetism – en upptäckt som banade väg för moderna generatorer och kraftsystem.
Faradays lag förklarar att ett förändrat magnetiskt flöde inducerar en elektromotorisk kraft som motsätter sig förändringen, vilket förkroppsligar principen om elektromagnetisk induktion.
James Clerk Maxwells fyra ekvationer beskriver kortfattat hur elektriska och magnetiska fält utvecklas:
\(\nabla \cdot \vec{E} =\frac{\rho}{\varepsilon_0}\)
\(\nabla \cdot \vec{B} =0\)
\(\nabla \times \vec{E} =-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\)
\(\nabla \times \vec{B} =\mu_0 \vec{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}\)
Dessa ekvationer förutsäger förekomsten av elektromagnetiska vågor som färdas med ljusets hastighet och förenar ljus med elektricitet och magnetism.
Sammantaget återspeglar magnetismens och elektricitetens sammanflätade natur ett enda elegant elektromagnetiskt ramverk som styr beteendet hos laddade partiklar och de krafter de utövar.
pixabay
