Door GAYLE TOWELL • Bijgewerkt op 24 maart 2022

Elektriciteit en magnetisme zijn twee fundamentele krachten die voortkomen uit geladen deeltjes. Hoewel ze zich verschillend manifesteren, zijn hun onderliggende principes opvallend vergelijkbaar. Hieronder onderzoeken we de drie belangrijkste overeenkomsten die deze krachten verenigen.

1. Dubbele polariteit:tegenpolen trekken elkaar aan, houden van afstoten

Zowel elektrische ladingen als magnetische polen bestaan in complementaire paren. Elektrische ladingen zijn er in positieve (+) en negatieve (–) varianten, respectievelijk gedragen door protonen en elektronen. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, terwijl soortgelijke ladingen elkaar afstoten, een gedrag dat de meeste macroscopische objecten elektrisch neutraal houdt.

Op dezelfde manier bezitten magneten noord- en zuidpolen. Twee noordpolen (of twee zuidpolen) stoten elkaar af, terwijl een noord- en een zuidpool elkaar aantrekken. In tegenstelling tot de zwaartekracht, die alleen maar aantrekt, hebben elektriciteit en magnetisme zowel aantrekkelijke als afstotende interacties.

Hoewel een magneet inherent een dipool is (de polen kunnen niet van elkaar worden gescheiden), kunnen elektrische dipolen worden gevormd door een positieve en een negatieve lading op een kleine afstand van elkaar te plaatsen. De dipool kan worden geneutraliseerd door een van de ladingen te heroriënteren, waardoor het contrast tussen magnetische en elektrische dipolen wordt benadrukt.

2. Relatieve sterke punten onder de fundamentele krachten

De elektromagnetische kracht, die zowel elektrische als magnetische effecten omvat, is veel sterker dan de zwaartekracht, maar zwakker dan de sterke en zwakke kernkrachten. In relatieve termen:als de sterke kracht wordt genormaliseerd naar 1, meet de elektromagnetische kracht ongeveer 1/137, en de zwakke kracht ongeveer 10 ^-6 , en de zwaartekracht een oneindig kleine 6×10 ^-39 .

Ondanks zijn relatief zwakke omvang domineert elektromagnetisme de dagelijkse interacties omdat ladingen en magnetische momenten doorgaans niet worden geneutraliseerd; ze kunnen krachten uitoefenen die de zwaartekracht van de aarde op kleine objecten gemakkelijk overwinnen.

3. Het verenigde veld van elektromagnetisme

Historisch gezien werden elektriciteit en magnetisme ontdekt als afzonderlijke verschijnselen. Het werk van wetenschappers als Michael Faraday en James Clerk Maxwell onthulde echter dat ze twee facetten van één enkel elektromagnetisch veld zijn.

Uit de experimenten van Faraday bleek dat een veranderend magnetisch veld een elektrische stroom in een spoel induceert – een principe dat ten grondslag ligt aan alle elektrische generatoren. De vier vergelijkingen van Maxwell formaliseerden deze relatie verder en voorspelden dat elektromagnetische golven zich voortplanten met de snelheid van het licht:

\(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}} =299.792.485\;\text{m/s}\)

Licht zelf is dus een elektromagnetische golf, die de diepgaande eenheid van deze krachten illustreert.

Elektrische en magnetische velden uitgelegd

Net zoals de zwaartekracht wordt beschreven door een veld, karakteriseren elektrische en magnetische velden hoe krachten in de ruimte werken. Het elektrische veld dat wordt gegenereerd door een puntlading q op afstand r is:

\(E =\frac{kq}{r^2}\)

waar k =8,99×10 ⁹  N·m²/C². Het veld wijst weg van positieve ladingen en naar negatieve ladingen.

Voor een lange rechte stroomvoerende draad is het magnetische veld op afstand r is:

\(B =\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\)

met μ ₀ =4π×10 ^-7  N.v.t.². De richting volgt de rechterhandregel.

Key Force-wetten

De elektrische kracht op een lading q in een elektrisch veld E is:

\(\vec{F} =q\vec{E}\)

De magnetische kracht op een bewegende lading wordt gegeven door de krachtwet van Lorentz:

\(\vec{F} =q\vec{v} \times \vec{B}\)

Voor een huidige ik die door een lengte L stroomt in een magnetisch veld wordt de kracht:

\(\vec{F} =I\vec{L} \times \vec{B}\)

Staafmagneten en elektronenbeweging

In ferromagnetische materialen zoals ijzer produceert de intrinsieke beweging van elektronen microscopisch kleine magnetische momenten die parallel aan elkaar uitlijnen, waardoor macroscopisch magnetisme ontstaat. Dit toont aan dat magnetisme in wezen een elektrisch effect is.

Omgekeerd kan elektriciteit worden opgewekt uit magnetisme – een ontdekking die de weg vrijmaakte voor moderne generatoren en energiesystemen.

De wet van Faraday legt uit dat een veranderende magnetische flux een elektromotorische kracht induceert die de verandering tegenwerkt, wat het principe van elektromagnetische inductie belichaamt.

Maxwells vergelijkingen in het kort

De vier vergelijkingen van James Clerk Maxwell beschrijven bondig hoe elektrische en magnetische velden evolueren:

\(\nabla \cdot \vec{E} =\frac{\rho}{\varepsilon_0}\)

\(\nabla \cdot \vec{B} =0\)

\(\nabla \times \vec{E} =-\frac{\gedeeltelijk \vec{B}}{\gedeeltelijk t}\)

\(\nabla \times \vec{B} =\mu_0 \vec{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\gedeeltelijk \vec{E}}{\gedeeltelijk t}\)

Deze vergelijkingen voorspellen het bestaan van elektromagnetische golven die zich voortplanten met de snelheid van het licht, waardoor licht wordt verenigd met elektriciteit en magnetisme.

Over het geheel genomen weerspiegelt de verweven aard van magnetisme en elektriciteit één enkel, elegant elektromagnetisch raamwerk dat het gedrag van geladen deeltjes en de krachten die ze uitoefenen regelt.

pixabay