¿Cuáles son las 3 similitudes entre los imanes y la electricidad?

Contenido

• 1 - Vienen en dos variedades opuestas
• 2 - Su fuerza relativa en comparación con otras fuerzas
• 3 - La electricidad y el magnetismo son dos lados del mismo fenómeno
• Campos electricos y magneticos
• Entonces, ¿de dónde viene realmente el magnetismo?
• Los cables de transporte actuales crean un campo magnético
• ¿Pero qué pasa con los imanes de barra? ¿De dónde viene su magnetismo?
• ¡Pero espera hay mas!
• Similitudes entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica
• Relación entre electricidad y magnetismo

Las fuerzas eléctricas y magnéticas son dos fuerzas que se encuentran en la naturaleza. Si bien a primera vista pueden parecer diferentes, ambos se originan en campos asociados con partículas cargadas. Las dos fuerzas tienen tres similitudes principales, y debes aprender más sobre cómo surgen estos fenómenos.

1 - Vienen en dos variedades opuestas

Los cargos vienen en variedades positivas (+) y negativas (-). El portador de carga positiva fundamental es el protón y el portador de carga negativa es el electrón. Ambos tienen una carga de magnitud e = 1.602 × 10^-19 Coulombs.

Los opuestos se atraen, y le gusta repeler; dos cargas positivas colocadas una cerca de la otra repelero experimentar una fuerza que los separa. Lo mismo es cierto para dos cargas negativas. Sin embargo, una carga positiva y una negativa atraer El uno al otro.

La atracción entre las cargas positivas y negativas es lo que tiende a hacer que la mayoría de los elementos sean eléctricamente neutros. Debido a que hay el mismo número de cargas positivas que negativas en el universo, y las fuerzas atractivas y repulsivas actúan como lo hacen, las cargas tienden a neutralizaro cancelarse mutuamente.

Los imanes, de manera similar, tienen los polos norte y sur. Dos polos norte magnéticos se repelerán entre sí al igual que dos polos sur magnéticos, pero un polo norte y un polo sur se atraerán entre sí.

Tenga en cuenta que otro fenómeno con el que probablemente esté familiarizado, la gravedad, no es así. La gravedad es una fuerza atractiva entre dos masas. Solo hay un "tipo" de masa. No viene en variedades positivas y negativas como la electricidad y el magnetismo. Y este tipo de masa siempre es atractivo y no repulsivo.

Sin embargo, existe una clara diferencia entre imanes y cargas, ya que los imanes siempre aparecen como un dipolo. Es decir, cualquier imán dado siempre tendrá un polo norte y sur. Los dos polos no se pueden separar.

También se puede crear un dipolo eléctrico colocando una carga positiva y negativa a una pequeña distancia, pero siempre es posible separar estas cargas nuevamente. Si imagina un imán de barra con sus polos norte y sur, e intenta cortarlo por la mitad para formar un norte y un sur separados, en su lugar, el resultado sería dos imanes más pequeños, ambos con sus propios polos norte y sur.

2 - Su fuerza relativa en comparación con otras fuerzas

Si comparamos la electricidad y el magnetismo con otras fuerzas, vemos algunas diferencias claras. Las cuatro fuerzas fundamentales del universo son las fuerzas fuertes, electromagnéticas, débiles y gravitacionales. (Tenga en cuenta que las fuerzas eléctricas y magnéticas se describen con la misma palabra, más sobre esto en un momento).

Si consideramos que la fuerza fuerte, la fuerza que mantiene unidos a los nucleones dentro de un átomo, tiene una magnitud de 1, entonces la electricidad y el magnetismo tienen una magnitud relativa de 1/137. La fuerza débil, que es responsable de la desintegración beta, tiene una magnitud relativa de 10^-6, y la fuerza gravitacional tiene una magnitud relativa de 6 × 10^-39.

Lo has leído bien. No fue un error tipográfico. La fuerza gravitacional es extremadamente débil en comparación con todo lo demás. Esto puede parecer contradictorio: después de todo, la gravedad es la fuerza que mantiene los planetas en movimiento y mantiene nuestros pies en el suelo. Pero considere lo que sucede cuando levanta un clip con un imán o un pañuelo con electricidad estática.

¡La fuerza que levanta el pequeño imán o elemento cargado estáticamente puede contrarrestar la fuerza gravitacional de toda la Tierra tirando del clip o el tejido! Pensamos que la gravedad es mucho más poderosa, no porque lo sea, sino porque tenemos la fuerza gravitacional de un globo terráqueo que actúa sobre nosotros en todo momento, mientras que, debido a su naturaleza binaria, las cargas y los imanes a menudo se organizan para que sean neutralizado

3 - La electricidad y el magnetismo son dos lados del mismo fenómeno

Si observamos más de cerca y realmente comparamos la electricidad y el magnetismo, vemos que en un nivel fundamental son dos aspectos del mismo fenómeno llamado electromagnetismo. Antes de describir completamente este fenómeno, obtengamos una comprensión más profunda de los conceptos involucrados.

Campos electricos y magneticos

¿Qué es un campo? A veces es útil pensar en algo que parece más familiar. La gravedad, como la electricidad y el magnetismo, también es una fuerza que crea un campo. Imagina la región del espacio alrededor de la Tierra.

Cualquier masa dada en el espacio sentirá una fuerza que depende de la magnitud de su masa y su distancia de la Tierra. Entonces imaginamos que el espacio alrededor de la Tierra contiene un campo, es decir, un valor asignado a cada punto en el espacio que da alguna indicación de cuán relativamente grande y en qué dirección sería una fuerza correspondiente. La magnitud del campo gravitacional a distancia r de masa METRO, por ejemplo, viene dada por la fórmula:

E = {GM anterior {1pt} r ^ 2}

Dónde sol es la constante gravitacional universal 6.67408 × 10^-11 metro³/ (kgs²) La dirección asociada con este campo en cualquier punto dado sería un vector unitario que apunta hacia el centro de la Tierra.

Los campos eléctricos funcionan de la misma manera. La magnitud del campo eléctrico a distancia r de carga puntual q está dado por la fórmula:

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

Dónde k es la constante de Coulomb 8.99 × 10⁹ Nuevo Méjico²/C². La dirección de este campo en cualquier punto dado es hacia la carga q Si q es negativo y lejos de la carga q Si q es positivo.

Tenga en cuenta que estos campos obedecen a una ley del cuadrado inverso, por lo que si se mueve dos veces más lejos, el campo se vuelve un cuarto más fuerte. Para encontrar el campo eléctrico generado por varias cargas puntuales, o una distribución continua de carga, simplemente encontraríamos la superposición o realizaríamos una integración de la distribución.

Los campos magnéticos son un poco más complicados porque los imanes siempre vienen como dipolos. La magnitud del campo magnético a menudo se representa con la letra. si, y la fórmula exacta para ello depende de la situación.

Entonces, ¿de dónde viene realmente el magnetismo?

La relación entre la electricidad y el magnetismo no fue evidente para los científicos hasta varios siglos después de los descubrimientos iniciales de cada uno. Algunos experimentos clave que exploran la interacción entre los dos fenómenos eventualmente llevaron a la comprensión que tenemos hoy.

Los cables de transporte actuales crean un campo magnético

A principios de 1800, los científicos descubrieron por primera vez que una aguja de brújula magnética podía desviarse cuando se sostenía cerca de un cable que transportaba corriente. Resulta que un cable portador de corriente crea un campo magnético. Este campo magnético a una distancia r de un cable infinitamente largo que lleva corriente yo está dado por la fórmula:

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

Dónde μ₀ es la permeabilidad al vacío 4_π_ × 10^-7 N / A². La dirección de este campo viene dada por regla de la mano derecha - apunte el pulgar de su mano derecha en la dirección de la corriente, y luego sus dedos se envuelvan alrededor del cable en un círculo que indica la dirección del campo magnético.

Este descubrimiento condujo a la creación de electroimanes. Imagine tomar un cable de corriente y envolverlo en una bobina. ¡La dirección del campo magnético resultante se verá como el campo dipolar de un imán de barra!

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¿Pero qué pasa con los imanes de barra? ¿De dónde viene su magnetismo?

El magnetismo en un imán de barra se genera por el movimiento de los electrones en los átomos que lo componen. La carga en movimiento en cada átomo crea un pequeño campo magnético. En la mayoría de los materiales, estos campos están orientados en todas las direcciones, lo que no genera un magnetismo neto significativo. Pero en ciertos materiales, como el hierro, la composición del material permite que todos estos campos se alineen.

¡Entonces el magnetismo es realmente una manifestación de la electricidad!

¡Pero espera hay mas!

Resulta que el magnetismo no solo es el resultado de la electricidad, sino que la electricidad se puede generar a partir del magnetismo. Este descubrimiento fue hecho por Michael Faraday. Poco después del descubrimiento de que la electricidad y el magnetismo estaban relacionados, Faraday encontró una manera de generar corriente en una bobina de alambre variando el campo magnético que pasa por el centro de la bobina.

Ley de Faraday establece que la corriente inducida en una bobina fluirá en una dirección que se opone al cambio que la causó. Lo que se quiere decir con esto es que la corriente inducida fluirá en una dirección que genera un campo magnético que se opone al campo magnético cambiante que lo causó. En esencia, la corriente inducida simplemente está tratando de contrarrestar cualquier cambio de campo.

Entonces, si el campo magnético externo apunta hacia la bobina y luego aumenta en magnitud, la corriente fluirá en esa dirección para crear un campo magnético que apunte fuera del bucle para contrarrestar este cambio. Si el campo magnético externo apunta hacia la bobina y disminuye en magnitud, entonces la corriente fluirá en esa dirección para crear un campo magnético que también apunte hacia la bobina para contrarrestar el cambio.

El descubrimiento de Faraday llevó a la tecnología detrás de los generadores de energía actuales. Para generar electricidad, debe haber una forma de variar el campo magnético que pasa a través de una bobina de alambre. Puede imaginar girar una bobina de alambre en presencia de un campo magnético fuerte para activar este cambio. Esto a menudo se realiza por medios mecánicos, como una turbina que se mueve con viento o agua corriente.

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Similitudes entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica

Las similitudes entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica son muchas. Ambas fuerzas actúan bajo cargos y tienen su origen en el mismo fenómeno. Ambas fuerzas tienen fuerzas comparables, como se describió anteriormente.

Fuerza eléctrica en carga q debido al campo mi es dado por:

vec {F} = q vec {E}

La fuerza magnética en carga q moviéndose con velocidad v debido al campo si está dado por la ley de fuerza de Lorentz:

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

Otra formulación de esta relación es:

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

Dónde yo es el actual y L La longitud del cable o camino conductor en el campo.

Además de las muchas similitudes entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica, también hay algunas diferencias claras. Tenga en cuenta que la fuerza magnética no afectará una carga estacionaria (si v = 0, entonces F = 0) o una carga que se mueve paralela a la dirección del campo (que da como resultado un producto cruzado 0), y de hecho el grado en que Los actos de fuerza magnética varían con el ángulo entre la velocidad y el campo.

Relación entre electricidad y magnetismo

James Clerk Maxwell obtuvo un conjunto de cuatro ecuaciones que resumen matemáticamente la relación entre la electricidad y el magnetismo. Estas ecuaciones son las siguientes:

triangledown cdot vec {E} = dfrac { rho} { epsilon_0} {} triangledown cdot vec {B} = 0 {} triangledown times vec {E} = - dfrac { partial vec {B}} { partial t} {} triangledown times vec {B} = mu_0 vec {J} + mu_0 epsilon_0 dfrac { partial vec {E}} { partial t}

Todos los fenómenos discutidos anteriormente se pueden describir con estas cuatro ecuaciones. Pero aún más interesante es que después de su derivación, se encontró una solución a estas ecuaciones que no parecía coherente con lo que se conocía anteriormente. Esta solución describió una onda electromagnética autopropagante. Pero cuando se dedujo la velocidad de esta ola, se determinó que era:

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

Esta es la velocidad de la luz!

¿Cuál es el significado de esto? Bueno, resulta que la luz, un fenómeno que los científicos habían estado explorando durante bastante tiempo, era en realidad un fenómeno electromagnético. Es por eso que hoy lo ves referido como radiación electromagnética.

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