Elektriciteit en magnetisme lijken misschien twee afzonderlijke krachten op basis van je dagelijkse leven. Als je het over elektriciteit hebt, verwijs je meestal naar elektrische stroom of elektrische ladingen die huishoudelijke apparaten van je laptop aansturen op zoiets eenvoudigs als een gloeilamp.

Magnetisme is niet zo gebruikelijk tegengekomen, maar elk schoolkind zal eerder in aanraking zijn geweest met staafmagneten, die een noordpool en een zuidpool hebben, met soortgelijke polen afstoten en tegenovergestelde polen aantrekken.
Elektriciteit en magnetisme in de natuurkunde

This dagelijks begrip van elektrische ladingen en de magnetische kracht geeft je een redelijk goed basisbegrip van hoe elektriciteit en magnetisme werken, maar er is nog veel meer te leren, van de oorsprong van magnetische polen tot de wet van Ohm, elektromagnetische inductie en verder.

Hoewel je dagelijkse ervaring met elektriciteit en magnetisme je door alledaagse situaties kan helpen, heb je, als je natuurkunde op een hoger niveau brengt, een veel dieper begrip van de fenomenen nodig.

Dankzij het werk van baanbrekende natuurkundigen zoals Michael Faraday en James Clerk Maxwell, wetenschappers begrijpen nu dat elektriciteit en magnetisme helemaal geen afzonderlijke krachten zijn, maar verschillende aspecten van die van de vier fundamentele krachten: elektromagnetisme.

Het belangrijkste besef hierachter was dat magnetische velden eigenlijk worden geproduceerd door elektrische ladingen te verplaatsen. De elektromagnetische kracht wordt volledig beschreven door de vergelijkingen van Maxwell, en aan het einde van dit artikel zult u begrijpen wat elk is en wat het u vertelt.
Wat is elektriciteit?

Elektriciteit is de omgangstaal het effect van de elektrische kracht, die in de meeste gevallen de interactie tussen protonen (de positief geladen deeltjes in de kern van elk atoom) en elektronen (de negatief geladen deeltjes die in een wolk rond de kern bestaan) met zich meebrengt.

Wanneer een geladen deeltje zich dicht bij een ander geladen deeltje bevindt - bijvoorbeeld twee elektronen bij elkaar of een elektron en een proton bij elkaar - hebben ze een interactie die in het algemeen kan worden beschreven met behulp van de wet van Coulomb. In grote lijnen, echter, zoals ladingen afstoten en tegengestelde ladingen aantrekken - net als bijpassende en tegenovergestelde polen op een magneet.

De wet van Coulomb stelt dat voor twee ladingen q
_{1 en < em> q
2, gescheiden door een afstand r
, de elektrische kracht heeft de grootte:
F \u003d \\ frac {kq_1q_2} {r ^ 2}}

Hier, k
\u003d 1 /4πε _{0 \u003d 9 × 10 ^{9 N m 2 /C 2 en ε 0 is een constante die de permittiviteit van vrije ruimte wordt genoemd . Als je bekend bent met de wet van universele zwaartekracht, zul je merken dat de wet van Coulomb een zeer vergelijkbare vorm heeft, met de ladingen in plaats van de massa en k
in plaats van G
. In het bijzonder zijn beide omgekeerde kwadraten, dus als de lading twee keer zo ver weg wordt geplaatst, neemt de kracht van de kracht met een factor vier af.}}

Je kunt de elektrische kracht echter ook beschrijven met behulp van het concept van een elektrische veld, dat wordt gedefinieerd als de kracht van de kracht op een 'testlading', en wordt gedefinieerd door de hele ruimte met een waarde in Newton per Coulomb.

Het elektrische veld is echter een vector, dus het heeft beide een sterkte en een richting. Hoewel je de elektrische veldsterkte E
eenvoudig kunt definiëren als E
\u003d F
/ q
, waarbij q
is de testlading, de meest bruikbare vergelijking hiervoor is de wet van Gauss, een van Maxwell's vergelijkingen, die later zal worden behandeld.
Wat is magnetisme?

Magnetisme is een beetje ingewikkelder dan elektriciteit te beschrijven op een wiskundige manier, maar de basisprincipes lijken erg op elkaar. Net zoals elektrische krachten worden beschreven die optreden tussen positieve ladingen en negatieve ladingen, zo worden magnetische krachten beschreven als die optreden tussen noordpolen en zuidpolen (of positieve en negatieve polen) van magneten.

Op precies dezelfde manier als want elektrische krachten, zoals polen stoten af, en tegenovergestelde polen trekken aan. Magnetische krachten kunnen ook worden beschreven met behulp van het concept van magnetische velden, die - net als elektrische velden - onzichtbare velden zijn die de ruimte doordringen en het vermogen van de magnetische kracht vertegenwoordigen om de snelheid van geladen deeltjes in de omgeving te veranderen.

Magnetische polen bestaan echter alleen in paren, als dipolen - er zijn geen magnetische monopolen. Als magnetische monopolen zouden bestaan, zou er een eenvoudige wet zijn zoals de wet van Coulomb die van toepassing was op magnetisme in plaats van elektriciteit, maar magnetisme is inherent iets ingewikkelder dan dit, en dus worden magnetische krachten meestal beschreven op basis van de magnetische velden die worden gegenereerd door specifieke bronnen. Er is bijvoorbeeld een vergelijking voor het magnetische veld van een solenoïde, het veld dat wordt geproduceerd door een draad die een elektrische stroom draagt, enzovoort.

Magnetische velden worden over het algemeen gemeten in eenheden van Teslas (T) - genaamd naar natuurkundige Nikola Tesla - of gauss (G) - genoemd naar Carl Friedrich Gauss - en 1 T \u003d 10.000 G. Dit is technisch een maat voor de magnetische fluxdichtheid, maar om te voorkomen dat je vastloopt in de precieze details, is het veilig om alleen maar te denken aan dit betekent ongeveer hetzelfde.

Een sterke magneet in een laboratorium zal een waarde hebben van ongeveer 1 T, terwijl een koelkastmagneet meer als 0,1 T zal zijn, dus Gauss is vaak de betere eenheid om te gebruiken voor alledaagse magnetische velden.
De Lorentz Force Law and Magnetism

Als u niet wilt werken met Maxwell's vergelijkingen, die over het algemeen veel gecompliceerder zijn, is de beste manier om de kracht van magnetisme te berekenen de Lorentz dwingen wet. Dit is een wet die zowel magnetische als elektrische velden omvat, waarbij twee verschillende termen worden gecombineerd om de kracht te voorspellen die wordt uitgeoefend op een deeltje onder invloed van beide en de richting van de resulterende kracht.

Voor de magnetische kracht, de relevante onderdeel van de Lorentz-krachtwet is:
\\ bold {F} \u003d q \\ bold {v × B}

Waar q
de lading is van het deeltje dat door het veld reist, is v zijn (vector) snelheid, en B is het magnetische veld. Je moet ook opmerken dat het × -symbool geen eenvoudige vermenigvuldiging is, maar een vectorproduct, dat een kracht produceert in een richting die wordt gegeven door de rechterhandregel. Eenvoudigweg wordt de sterkte van de op het deeltje uitgeoefende kracht gegeven door:
F \u003d qvB \\ sin (θ)

Waar de hoek θ
de hoek is tussen de richting van de snelheid van de deeltje en het magnetische veld. Dit vertelt je meteen dat de interactie het sterkst is wanneer het deeltje zich onder een hoek van 90 graden (dwz loodrecht) op het magnetische veld verplaatst.
De Lorentz Force Law

Met de volledige vorm van de Lorentz Force Law kunt u rekening voor zowel het elektrische veld als het magnetische veld en heeft de vorm:
\\ bold {F} \u003d q (\\ bold {E + v × B})

Waar weer de q
is de lading van het deeltje, v is zijn snelheid en B is de sterkte van het magnetische veld, maar nu is rekening gehouden met de bijdrage van het elektrische veld E. Als u de waarde van het magnetische veld, het elektrische veld, de lading van het deeltje en zijn snelheid hebt, kunt u de kracht en de richting ervan relatief eenvoudig berekenen met behulp van de Lorentz-krachtwet.

Het enige probleem is dat als u de details over het magnetisch veld niet kent, moet u nog steeds de vergelijkingen van Maxwell gebruiken om ze af te leiden.
Elektromagnetisme en toepassingen

Elektromagnetisme heeft een enorm bereik van nuttige toepassingen, in het bijzonder met betrekking tot huishoudelijke elektriciteit en de opwekking van stroom.

Voor een eenvoudig voorbeeld kan het feit dat bewegende ladingen een elektrisch veld produceren, worden gebruikt om een elektromagneet te maken: een draadspoel met stromende stroom hierdoor zal een basismagneet worden geproduceerd. Enorme, krachtige versies van dezelfde basistechnologie worden gebruikt om auto's en schroot in autokerkhof te verplaatsen, en dit is veel nuttiger dan een permanente magneet voor dit doel omdat het kan worden uitgeschakeld om het metaal te laten vallen.

Elektromagnetische inductie is een ander aspect van elektromagnetisme met veel toepassingen. Dit is een kenmerkende eigenschap van de fundamentele link tussen elektriciteit en magnetisme: net zoals een bewegende lading een magnetisch veld genereert, kan een veranderend magnetisch veld worden gebruikt om een stroom in een draad te induceren.

Dit kan door verplaats eenvoudig een magneet naar achteren en naar voren in het midden van een draadspiraal, of u kunt wisselstroom (AC) elektriciteit gebruiken om een continu wisselend magnetisch veld te genereren, en dit gebruiken om een stroom in een draad te induceren.

Deze eenvoudige technieken liggen ten grondslag aan de werking van cruciale hulpmiddelen zoals stroomgeneratoren en elektrische motoren. Stroomgeneratoren werken door een geleidende draad in een magnetisch veld te verplaatsen, waardoor een elektrische stroom wordt geïnduceerd.

Elektromotoren daarentegen gebruiken een lus van stroomvoerende draad in een magnetisch veld: wanneer stroom binnenstroomt de draad, het genereert een magnetisch veld dat samenwerkt met het bestaande magnetische veld en ervoor zorgt dat de draad in het proces beweegt. Kortom, generatoren veranderen beweging in stroom en motoren veranderen stroom in beweging.
Maxwell's vergelijkingen

Het hele onderwerp van elektromagnetisme kan het best worden beschreven door de vergelijkingen van Maxwell. Er zijn in totaal vier vergelijkingen: de wet van Gauss, de wet van geen monopolen, de wet van Faraday en de wet van Ampere. Deze zijn geschreven in de taal van de vectorberekening en zijn als volgt:

Wet van Gauss:
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {A} \u003d \\ frac {q} {ε_0 }

Waar E
het elektrische veld is, is q
de totale lading en is ε
_{0 de permittiviteit van vrije ruimte. In woorden zegt dit dat de elektrische flux uit een gesloten oppervlak gelijk is aan de ingesloten lading gedeeld door de permittiviteit van vrije ruimte.}

Geen monopoolwet:
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {A} \u003d 0

Waarin staat dat de magnetische flux uit een gesloten oppervlak nul is - met andere woorden, er bestaan geen magnetische monopolen!

Wet van Faraday:
\\ int \\ bm {E} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \\ frac {∂ϕ_B} {∂t}

Waar ϕ
_{B de magnetische flux is. Dit stelt dat het elektrische veld rond een gesloten lus gelijk is aan minus de snelheid van verandering van de magnetische flux door die lus - deze wet beschrijft het proces van het induceren van een stroom in een draad met behulp van een veranderend magnetisch veld.}

Wet van Ampere:
\\ int \\ bm {B} ∙ d \\ bm {S} \u003d - \u003d μ_0I + \\ frac {1} {c ^ 2} \\ frac {∂} {∂t} \\ int \\ bm {E } ∙ d \\ bm {A}

Waar μ
_{0 de permeabiliteit van vrije ruimte is, en I
de stroom is die door de lus stroomt. Dit stelt dat de lijnintegraal van het magnetische veld rond een gesloten lus evenredig is met de stroom die door dezelfde lus vloeit - met andere woorden, dat elektrische stromen magnetische velden genereren.
De vergelijkingen van Maxwell gebruiken}

Terwijl de de wiskundige taal van de vergelijkingen van Maxwell is complex (en kon in dit artikel niet voldoende worden geïntroduceerd), je zou de principes van het elektromagnetisme die ze overbrengen al moeten begrijpen. De wet van Gauss voor het berekenen van een elektrisch veld als gevolg van een verzameling van lading, de wet van Faraday voor het berekenen van het geïnduceerde elektrische veld als gevolg van een veranderend magnetisch veld en de wet van Ampere voor het berekenen van magnetische velden veroorzaakt door een elektrische stroom - en vervolgens een integraal uitvoeren over een geschikt gekozen oppervlak of een op te lossen gebied. Het oppervlak of vlakke gebied is puur theoretisch, maar het wordt gebruikt om de velden in een driedimensionale ruimte te karakteriseren.

Dit kan vaak worden vereenvoudigd als u een uniform veld aanneemt door het door u gekozen oppervlak of gebied. De wet van Gauss voor een bol met ingesloten lading kan bijvoorbeeld eenvoudig worden geschreven:
E 4πr ^ 2 \u003d \\ frac {q} {ε_0}

Wat u ziet, vereenvoudigt het gebruik aanzienlijk. Het maakt ook duidelijk dat je de wet van Coulomb kunt afleiden uit deze vergelijking.