Quelles sont les 3 similitudes entre les aimants et l'électricité?

Contenu

• 1 - Ils viennent en deux variétés opposées
• 2 - Leur force relative comparée à d'autres forces
• 3 - L'électricité et le magnétisme sont les deux faces d'un même phénomène
• Champs électriques et magnétiques
• Alors, d'où vient vraiment le magnétisme?
• Courants porteurs créent un champ magnétique
• Mais qu'en est-il des aimants de barre? D'où vient leur magnétisme?
• Mais attendez, il y a plus!
• Similitudes entre la force magnétique et la force électrique
• Relation entre l'électricité et le magnétisme

Les forces électriques et magnétiques sont deux forces présentes dans la nature. Bien qu'elles puissent sembler différentes au premier abord, elles proviennent toutes deux de champs associés à des particules chargées. Les deux forces ont trois similitudes principales, et vous devriez en apprendre plus sur la façon dont ces phénomènes se produisent.

1 - Ils viennent en deux variétés opposées

Les redevances sont positives (+) et négatives (-). Le porteur fondamental de charge positive est le proton et le porteur négatif de charge est l'électron. Les deux ont une charge de magnitude e = 1,602 × 10^-19 Coulombs.

Les contraires s'attirent et aiment se repousser; deux charges positives placées les unes à côté des autres repousserou expérimentez une force qui les sépare. La même chose est vraie de deux accusations négatives. Toutefois, une charge positive et une charge négative attirer L'une et l'autre.

L’attraction entre charges positives et négatives est ce qui tend à rendre la plupart des objets électriquement neutres. Parce qu'il y a autant de charges positives que de charges négatives dans l'univers et que les forces attractives et répulsives agissent comme elles le font, les charges ont tendance à neutraliser, ou s'annulent.

De même, les aimants ont des pôles nord et sud. Deux pôles nord magnétiques se repoussent, de même que deux pôles sud magnétiques, mais un pôle nord et un pôle sud s’attirent.

Notez qu'un autre phénomène que vous connaissez probablement, la gravité, n'est pas le même. La gravité est une force attractive entre deux masses. Il n'y a qu'un seul type de masse. Il n’existe pas de variétés positives et négatives comme l’électricité et le magnétisme. Et ce type de masse est toujours attrayant et non repoussant.

Il existe une différence nette entre les aimants et les charges, en ce sens que les aimants apparaissent toujours sous forme de dipôle. Autrement dit, tout aimant donné aura toujours un pôle nord et un pôle sud. Les deux pôles ne peuvent pas être séparés.

Un dipôle électrique peut également être créé en plaçant une charge positive et une charge négative à une petite distance l'une de l'autre, mais il est toujours possible de séparer à nouveau ces charges. Si vous imaginez un aimant droit avec ses pôles nord et sud et que vous deviez essayer de le couper en deux pour créer un nord et un sud séparés, vous obtiendrez plutôt deux aimants plus petits, dotés de leurs propres pôles nord et sud.

2 - Leur force relative comparée à d'autres forces

Si nous comparons l'électricité et le magnétisme à d'autres forces, nous constatons des différences distinctes. Les quatre forces fondamentales de l'univers sont les forces fortes, électromagnétiques, faibles et gravitationnelles. (Notez que les forces électriques et magnétiques sont décrites par le même mot - plus à ce sujet dans un instant.)

Si nous considérons que la force forte - la force qui maintient les nucléons ensemble à l'intérieur d'un atome - a une magnitude de 1, l'électricité et le magnétisme ont une magnitude relative de 1/137. La force faible - responsable de la désintégration bêta - a une magnitude relative de 10^-6, et la force gravitationnelle a une magnitude relative de 6 × 10^-39.

Vous avez bien lu. Ce n’était pas une faute de frappe. La force de gravitation est extrêmement faible par rapport à tout le reste. Cela peut sembler contre-intuitif - après tout, la gravité est la force qui maintient les planètes en mouvement et garde les pieds sur terre! Mais considérons ce qui se passe lorsque vous prenez un trombone avec un aimant ou un mouchoir en papier à l'électricité statique.

La force qui tire le petit aimant ou l’article chargé statiquement peut contrecarrer la force gravitationnelle de la Terre entière qui tire sur le trombone ou le tissu! Nous pensons que la gravité est beaucoup plus puissante non pas parce qu’elle l’est, mais parce que nous avons à tout moment la force gravitationnelle de tout un globe, alors que, en raison de leur nature binaire, des charges et des aimants s’organisent souvent neutralisé.

3 - L'électricité et le magnétisme sont les deux faces d'un même phénomène

Si nous examinons de plus près et comparons réellement l’électricité et le magnétisme, nous constatons qu’il s’agit fondamentalement de deux aspects du même phénomène appelé électromagnétisme. Avant de décrire complètement ce phénomène, approfondissons notre compréhension des concepts en jeu.

Champs électriques et magnétiques

Qu'est-ce qu'un champ? Parfois, il est utile de penser à quelque chose qui semble plus familier. La gravité, comme l'électricité et le magnétisme, est également une force qui crée un champ. Imaginez la région de l’espace autour de la Terre.

Toute masse dans l'espace ressentira une force qui dépend de la magnitude de sa masse et de sa distance à la Terre. Nous imaginons donc que l’espace autour de la Terre contient un champ, c’est-à-dire une valeur attribuée à chaque point de l’espace, qui donne une idée de la taille et de la direction de la force correspondante. La magnitude du champ gravitationnel une distance r de masse M, par exemple, est donnée par la formule:

E = {GM ci-dessus {1pt} r ^ 2}

Où g est la constante gravitationnelle universelle 6.67408 × 10^-11 m³/ (kgs²). La direction associée à ce champ en un point donné serait un vecteur unitaire pointant vers le centre de la Terre.

Les champs électriques fonctionnent de la même manière. La magnitude du champ électrique à une distance r de charge ponctuelle q est donné par la formule:

E = {kq dessus {1pt} r ^ 2}

Où k est la constante de Coulomb 8.99 × 10⁹ Nm²/ C². La direction de ce champ à un moment donné est vers la charge q si q est négatif et hors de charge q si q est positif.

Notez que ces champs obéissent à une loi carrée inverse, donc si vous vous déplacez deux fois plus loin, le champ devient un quart plus fort. Pour trouver le champ électrique généré par plusieurs charges ponctuelles ou par une distribution continue de la charge, il suffit de rechercher la superposition ou d'effectuer une intégration de la distribution.

Les champs magnétiques sont un peu plus délicats car les aimants sont toujours des dipôles. Une magnitude du champ magnétique est souvent représentée par la lettre B, et la formule exacte dépend de la situation.

Alors, d'où vient vraiment le magnétisme?

La relation entre l’électricité et le magnétisme n’était apparente aux scientifiques que plusieurs siècles après les premières découvertes de chacun. Certaines expériences clés explorant l'interaction entre les deux phénomènes ont finalement conduit à la compréhension que nous avons aujourd'hui.

Courants porteurs créent un champ magnétique

Au début des années 1800, les scientifiques ont découvert qu'une aiguille de boussole magnétique pouvait être déviée si elle était maintenue à proximité d'un fil porteur de courant. Il s'avère qu'un fil porteur de courant crée un champ magnétique. Ce champ magnétique à distance r à partir d'un courant de fil porteur infiniment long je est donné par la formule:

B = { mu_0 I dessus {1pt} 2 pi r}

Où μ₀ est la perméabilité au vide 4_π_ × 10^-7 N / A². La direction de ce champ est donnée par le règle de la main droite - pointez le pouce de votre main droite dans la direction du courant, puis vos doigts enroulent autour du fil dans un cercle indiquant la direction du champ magnétique.

Cette découverte a conduit à la création d'électroaimants. Imaginez prendre un fil porteur de courant et l'enrouler dans une bobine. La direction du champ magnétique résultant ressemblera au champ dipolaire d'un barreau magnétique!

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Mais qu'en est-il des aimants de barre? D'où vient leur magnétisme?

Le magnétisme dans un aimant est généré par le mouvement des électrons dans les atomes qui le composent. La charge en mouvement dans chaque atome crée un petit champ magnétique. Dans la plupart des matériaux, ces champs sont orientés dans tous les sens, sans magnétisme net significatif. Mais dans certains matériaux, tels que le fer, la composition des matériaux permet à tous les champs de s’aligner.

Donc, le magnétisme est vraiment une manifestation de l'électricité!

Mais attendez, il y a plus!

Il s'avère que non seulement le magnétisme résulte de l'électricité, mais que l'électricité peut être générée à partir du magnétisme. Cette découverte a été faite par Michael Faraday. Peu de temps après la découverte du lien entre l’électricité et le magnétisme, Faraday a trouvé un moyen de générer du courant dans une bobine de fil en faisant varier le champ magnétique traversant le centre de la bobine.

Loi de Faraday indique que le courant induit dans une bobine circulera dans une direction qui s'oppose au changement qui l'a provoquée. Cela signifie que le courant induit va circuler dans une direction qui génère un champ magnétique qui s'oppose au champ magnétique changeant qui l'a provoqué. Essentiellement, le courant induit tente simplement de contrecarrer tout changement de champ.

Donc, si le champ magnétique externe pointe dans la bobine et augmente ensuite en magnitude, le courant circulera dans une telle direction pour créer un champ magnétique pointant en dehors de la boucle afin de contrecarrer ce changement. Si le champ magnétique externe pointe dans la bobine et que sa magnitude diminue, le courant circulera dans une telle direction pour créer un champ magnétique qui pointe également dans la bobine afin de contrecarrer le changement.

La découverte de Faraday a conduit à la technologie derrière les générateurs d’énergie actuels. Pour générer de l'électricité, il doit exister un moyen de faire varier le champ magnétique traversant une bobine de fil. Vous pouvez imaginer tourner une bobine de fil en présence d'un fort champ magnétique afin de déclencher ce changement. Cela se fait souvent par des moyens mécaniques, tels qu'une turbine déplacée par le vent ou par de l'eau courante.

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Similitudes entre la force magnétique et la force électrique

Les similitudes entre la force magnétique et la force électrique sont nombreuses. Les deux forces agissent sur des accusations et ont leurs origines dans le même phénomène. Les deux forces ont des forces comparables, comme décrit ci-dessus.

Force électrique en charge q en raison du champ E est donné par:

vec {F} = q vec {E}

La force magnétique en charge q se déplacer avec la vitesse v en raison du champ B est donné par la loi de force de Lorentz:

vec {F} = q vec {v} times vec {B}

Une autre formulation de cette relation est la suivante:

vec {F} = vec {I} L times vec {B}

Où je est le courant et L la longueur du fil ou du chemin conducteur dans le champ.

Outre les nombreuses similitudes entre la force magnétique et la force électrique, il existe également des différences distinctes. Notez que la force magnétique n’affectera pas une charge stationnaire (si v = 0, alors F = 0) ni une charge se déplaçant parallèlement à la direction du champ (ce qui donne un produit croisé égal à 0), et en fait le degré auquel la force magnétique agit varie avec l'angle entre la vitesse et le champ.

Relation entre l'électricité et le magnétisme

James Clerk Maxwell a élaboré un ensemble de quatre équations qui résument mathématiquement la relation entre l'électricité et le magnétisme. Ces équations sont les suivantes:

triangledown cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} {} triangledown cdot vec {B} = 0 {} triangledown times vec {E} = - dfrac { partiel vec {B}} { partiel t} {} triangles vers le bas times vec {B} = mu_0 vec {J} + mu_0 epsilon_0 dfrac { partial vec {E}} { partial t}

Tous les phénomènes discutés précédemment peuvent être décrits avec ces quatre équations. Mais ce qui est encore plus intéressant, c’est qu’après leur dérivation, on a trouvé une solution à ces équations qui ne semblait pas correspondre à ce qui était connu auparavant. Cette solution décrit une onde électromagnétique auto-propagatrice. Mais lorsque la vitesse de cette vague a été calculée, il a été déterminé que:

dfrac {1} { sqrt { epsilon_0 mu_0}} = 299 792 485 m / s

C'est la vitesse de la lumière!

Qu'est ce que cela signifie? Eh bien, il s’avère que la lumière, phénomène que les scientifiques exploraient depuis un certain temps déjà, était en réalité un phénomène électromagnétique. C’est pourquoi, aujourd’hui, vous le voyez appelé un rayonnement électromagnétique.

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