Originaal artikkel: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/Ideas/electric.html
Elektri ja magnetismi vastastikmõju on raske mittetehniliselt seletada. Seda eelkõige seetõttu, et vastastikmõjusid tuleb kirjeldada nähtamatute "jõuväljade" kaudu, mis ruumis nihkuvad, laienevad, kokku tõmbuvad, tugevnevad, nõrgenevad ja pöörlevad, ning neid on väga raske sõnaliselt adekvaatselt kirjeldada. Matemaatilises mõttes on vaja kolmemõõtmeliste vektordiferentsiaalvõrrandite sidestatud komplekte ja neid on samuti üsna raske visualiseerida.
Niisiis, me käsitleme matemaatikat E&M üle arutledes. Toetume intuitiivsematele, graafilisematele tõlgendustele. Siin on põhitõed.
Elektriväli kahe võrdse, kuid vastandliku laengu jaoks. Elektrijõud mis tahes punktis P puutub elektriväljaga. Magnetväli vardamagneti ümber. Pange tähele suurt sarnasust eelmise joonise elektriväljaga. |
1) Elektrijõu tekitavad elektrilaengud. Praktilistel eesmärkidel sisaldab teid ümbritsev maailm ainult kahte tüüpi laetud osakesi: prootoneid, mille laeng on aatomiühikutes +1, ja elektrone, mille laeng on -1. Laetud osakesi on sadu, kuid peaaegu kõik neist on ebastabiilsed ja lagunevad ajaskaalal, mis on lühem kui miljardik sekundit. Nagu energia ja impulss, säilib ka universumi kogulaeng. Saate luua või hävitada positiivse laengu seni, kuni loote või hävitate ka võrdse koguse negatiivset laengut, kuid algebraline kogusumma ei saa muutuda. Meile teadaolevalt on universumi kogu elektrilaeng täpselt null.
Kahe punktlaengu vaheline elektrostaatiline jõud määratakse Coulombi seadusega:
F = kq 1 q 2 / r 2
kus: k = elektrostaatiline konstant = 8,99 X 10 9 kg m 3 / s 2 coul 2 , r = kaugus kahe laengu vahel ning q 1 ja q 2 on kaks laengut, mõõdetuna kulonides. (Üks kulon = laeng 6,24 X 10 18 elektronil. Seetõttu kannab üks prooton või elektron laengut ±1,602 X 10 -19 kulon.) Kui q 1 ja q 2on sama märgiga, elektrostaatiline jõud on tõrjuv. Kui neil on vastupidised märgid, on jõud atraktiivne. Pange tähele, kuidas elektrostaatilise jõu valem näeb välja täpselt selline, nagu gravitatsiooni jaoks: me peame ainult asendama gravitatsioonikonstandi G elektrostaatilise konstandiga k ja vahetama laengu massi .
2) Staatilisi magnetvälju ei kirjeldata lihtsa valemiga, sest magnetidel on alati põhjapoolus ja lõunapoolus, mistõttu magnetväli liigub alati ühelt pooluselt teisele. Kui kastetakse magnet raskesse vedelikku, mis sisaldab rauaviilu, ja raputatakse anumat, joonduvad rauaviilud piki magnetvälja ja paljastavad seega välja kuju. Paremal näidatud väli on lihtsaim võimalik magnetväli. Nii seda kui ka eelmisel joonisel näidatud välja nimetatakse dipoolväljadeks, kuna need on loodud kahe pooluse abil.
Kuigi magnetostaatilise jõu jaoks pole lihtsat valemit, on olemas magnetjõukonstant " m ", mis on analoogne elektriväljade "k"-ga ja gravitatsiooni jaoks "G"-ga. mvõrdub 1,26 X 10 -6 meetermõõdustiku ühikutes.
3) Elekter ja magnetism on sisuliselt ühe asja kaks aspekti, sest muutuv elektriväli loob magnetvälja ja muutuv magnetväli elektrivälja. (Seetõttu viitavad füüsikud tavaliselt "elektromagnetismile" või "elektromagnetilistele" jõududele koos, mitte eraldi.)
Et näidata, et elektrivool (st liikuv elektrilaeng) tekitab magnetvälja, piisab, kui asetada magnetkompass vooluringis oleva juhtme kõrvale. Kui vool juhitakse läbi juhtme, kaldub kompass kõrvale, mis näitab juhtme ümber oleva magnetvälja olemasolu. (Tegelikult avastati täpselt nii voolu magnetväli. 1819. aastal pidas Kopenhaageni ülikooli professor Hans Oersted loengu elektrivooludest ja ka magnetitest. Ta juhtus jätma kompassi dirigendi kõrvale. traat ja keset loengut märkas ta, et vool pöörab kompassi kõrvale.See on ilmselt ainus oluline füüsikaavastus, mis eales elava publiku ees tehtud.) Oluline on mõista, et Coulombi jõuseadus annab täieliku ülevaate kahe laengu vahel olevate jõudude kohta ainult siis, kui laengud on paigal. (Sellepärast nimetatakse seda elektriks staatilise jõu seadus). Staatilised magnetväljad sellistes materjalides nagu raud on enam-vähem põhjustatud elektronide liikumisest aatomites.
Samuti võib kasutada magneti ja mõningaid traadisilmusi, et demonstreerida eelnevat vastupidist: muutuv magnetväli tekitab voolu. (Seda nimetatakse induktsiooniks.) Lihtsalt liigutades magnetit läbi traadipooli, saab tundliku ampermeetri abil hõlpsasti tuvastada mähises voolava voolu. Aga kui magnetit paigal hoida silmuse sees, ei juhtu midagi. Ainult muutus (loe: liikuv, paisuv, võnkuv, pöörlev) magnetväli tekitab elektrivoolu. Samamoodi tekitavad magnetvälju ainult liikuvad laengud (voolud). Liikumatud laengud tekitavad ainult Coulombi jõudu.
Quicktime film elektromagnetilisest induktsioonist
Eespool kirjeldatud lihtsad demonstratsioonid on väga sarnased nende tööstuslike kolleegidega. Kaubanduslik elektrigeneraator on veidi enamat kui traadi mähis, mida pööratakse magnetide ringikujulises paigutuses. Ja elektrimootor pole midagi enamat kui voolu kandev mähis, mille magnetväli interakteerub magnetite ümmarguse paigutuse väljaga. Teisisõnu, ainsaks erinevuseks generaatori ja mootori vahel on see, kas rakendate jõudu voolu väljalaskmiseks või panite voolu sisse, et jõudu välja tõmmata. Mõlemat tüüpi seadmed on täiesti sümmeetrilised. Kui keerad näpuga elektriventilaatori laba, siis oled sellest teinud elektrigeneraatori. Näitan seda fakti sageli tunnis käsielektrigeneraatoritega. Ühe generaatori vända keerates Ma saan saata piisavalt voolu läbi väikese lambipirni, et see süttiks. See tõestab, et tegemist on generaatoriga. Kuid ühendades kaks identset generaatorit, saan näidata ka seda, et ühe generaatori käepideme väntamine paneb teise generaatori käepideme ise pöörlema, tõestades sellega, et teine generaator töötab nüüd mootorina.
Niipalju siis E&M per se.
1864. aastal tuletas šoti füüsik James Clerk Maxwell elektromagnetismi võrrandite komplekti, mida tänapäeval nimetame Maxwelli võrranditeks. (Ta töötas välja palju muid olulisi võrrandeid peale nende, kuid sellest pole midagi. Kui füüsikud viitavad Maxwelli võrranditele, mõtlevad nad just neid.)
Nende võrrandite kallal töötades tuli Maxwellile pähe, et kui saaks... mingil moel... ruumis tekitada kehatu magnetvälja ja panna see võnkuma, tekitaks see elektrivälja. (Sarnaselt sellele, kuidas võnkuv magnetväli võib indutseerida elektrivoolu.) Seejärel tekitaks võnkuv elektriväli magnetvälja. Ja nii edasi, lõputus tsüklis. Maxwell suutis näidata, et kui selline asi luuakse, võnguksid elektri- ja magnetväljad üksteise suhtes täisnurga all (üks laine läheb üles ja alla, teine läheb sisse ja välja) ning liiguvad koos nihkudes. oma energiat edasi-tagasi, kui nad üksteist pidevalt ja dünaamiliselt taastasid. Teisisõnu, teil oleks elektri- ja magnetväljad, mis eksisteeriksid iseenesest, ilma laenguteta, magnetiteta ega massita.
v = (4 p k/ m )½
kus k ja m on elektri- ja magnetjõu konstandid. Kui lisada varem antud väärtused, saame: (4 X 3,14159 X 8,99 X 10 9 / 1,26 X 10 -6 )½ = 2,99 X 10 8 m/s. Mis on valguse kiirus. Kuigi see ei tõestanud, et valgus oli vastastikku risti asetsev elektri- ja magnetlaine paaris, mida Maxwell ette nägi, oli see kindlasti sugestiivne ja Maxwell väitis, et valgus on elektromagnetlaine. Maxwelli pilt valguslainest on illustreeritud allpool.
Maxwell suri üsna noorelt, 48-aastaselt ja tema tööd jäeti teistele pikendama. 1870. ja 1880. aastate jooksul rakendati tema võrrandeid mitmete elektromagnetismi probleemide lahendamiseks (peamiselt Briti füüsikud, sest Maxwelli töö jõudis väljaspool Briti saari ellu alles 1888. aastal). Paljudele inimestele sai järk-järgult selgeks, et Maxwelli võrrandid ennustasid, et elektromagnetlaineid tuleks alati tekitada, kui teil on kiirenduse all elektrilaenguid. Ligikaudselt öeldes "lahutavad" kiirenevad laengud alati elektromagnetlaineid enam-vähem nagu kiirpaat veelaineid.
Kas see tähendas, et tavalised elektriahelad eraldasid elektri liikumisel nähtamatuid laineid? Maxwelli sõnul tundus, et nad peaksid olema.
Lühidalt öeldes hakkasid mõned inimesed otsima nähtamatuid laineid ja 1888. aastal avastas saksa füüsik Heinrich Hertz (üks väheseid saksa füüsikuid, kes arvas, et võib-olla on Maxwellil siin midagi) raadiolained. See tekitas paraja sensatsiooni ja sellest hetkest alates tunnistati Maxwelli elektromagnetismi teooria parimaks.
See liikuvate tasude omadus on põhjus, miks lennufirmad nõuavad tavaliselt stereosüsteemide jms väljalülitamist õhkutõusmise ja maandumise ajal. Kui see kasutab elektrit, siis tekitab see mingil tasemel raadiomüra ja see ongi. See võib õhunavigatsiooni häirida. Mõnikord kuulen kaasreisijate nurinat, et see on rumal, nende kaasaskantav CD-mängija pole raadio, et milles probleem....aga see tõestab vaid, et nende teadmised raadiolainetest on 114 aastat vananenud. Te ei saa lõpetada kiirendavate elektrilaengute tekitamist E- ja M-lainete tekitamisel enam, kui saate sukelduda basseini ilma vett häirimata.
Elektromagnetlained moodustavad terve spektri, nagu on näha parempoolsel joonisel. Raadiolained, mikrolained, valgus, röntgenikiirgus,nende sageduse (või lainepikkuse, sõltuvalt sellest, kuidas teile meeldib lainetest mõelda).
Tagasi meie loo juurde. Vaatamata Maxwelli teooria paljudele kordaminekutele oli 1894. aasta füüsikamaailmale siiski selge, et nende arusaamisega E & M oli midagi ikka väga valesti. Eetri otsimine... see peaaegu maagiline vedelik, mida E & M. M lained pidid sees vehkima... kestis ikka veel ja enamikul tulemustest polnud üldse mõtet.
Tõenäoliselt kõige mõistatuslikumaks tulemuseks oli nüüdseks kuulus Michelson-Morley eksperiment 1887. aastal. Albert Michelson ja Edward Morley olid Clevelandi Case Westerni ülikooli professorid ja nad tahtsid tuvastada Maa liikumist läbi eetri, vaadates selle kiirust. valgust, kui see liigub erinevates suundades. Kui Maa oma orbiidil läbi kosmose liigub, võib eeldada, et valguslainete kiirus (Maa suhtes) kiireneb või aeglustub, olenevalt sellest, kas valgus liigub Maaga samas suunas või 90° Maa liikumise suhtes jne. Michelson ja Morley lootsid mõõta väikseid erinevusi valguse interferentsimustrites, mis võimaldaksid neil kindlaks teha, kas universaalne eeter seisab paigal või voolab mingil moel.
Kahjuks ei suutnud nad oma tohutuks hämmastuseks tuvastada valguse kiiruse erinevusi!! Olenemata sellest, kas Maa liikus nende katses valgusega samas suunas või sellele vastassuunas või sellega risti, oli tulemus alati sama: nende mõõdetud valguse kiirus ei muutunud kunagi. Kuna see on ligikaudu samaväärne väitega, et rongi ja rongijaama vaheline suhteline kiirus ei sõltu sellest, kas rong liigub või mitte, olid Michelson ja Morley täiesti hämmingus. Nad töötasid oma eksperimendi kallal aastaid, täiustades seda pidevalt ja proovides kõiki võimalikke variante, kuid lõpuks pidid nad (vastumeelselt) järeldama, et nad ei suuda mõõta mingit erinevust valguse kiiruses, olenemata selle suunast Maa suhtes.
(Albert Michelson pälvis 1907. aastal Nobeli füüsikaauhinna, mis põhines suuresti tema tööl 1887. aastal mitte midagi mõõta. Michelson-Morley eksperimenti peetakse üldiselt teadusajaloo kõige olulisemaks nulleksperimendiks.)
Teine katse (mitte sama kuulus kui Michelson-Morley, aga minu isiklik lemmik), millel polnud erilist mõtet, oli valguse kiiruse mõõtmine läbi voolava vee. Valguse kiirus läbi mis tahes läbipaistva materjali saadakse c / n, kus c = valguse kiirus vaakumis = 2,99 X 10 8 m /s ja n on materjali (mõõtmeteta) murdumisnäitaja. Kuid tehniliselt on c / n valguse kiirus materjalis, kui materjal seisab paigal. Mõned inimesed mõtlesid, et kui valgust edastab eeter, siis millist kiirust te mõõdaksite, kui vesi voolaks? Kergesti võib ette kujutada kahte juhtumit:
1) Vesi ei interakteeru eetriga üldse, mistõttu valguse kiirus vees ei muutu ja on endiselt võrdne c / n .
2) Vesi püüab eetri kinni ja kannab seda endaga kaasas. Sel juhul peab valguse kiirus olema c / n + v, kus v on vee liikumiskiirus. st valguskiirus läbi eetri vees = c / n , kuid vesi kannab eetrit punktis v, seega on tulemuseks vaid kaks kiirust liidetud.
Katse viis läbi Jean Foucault 1850 ja tulemus oli:
Valguse kiirus vees = c / n + v(1 - 1/n 2)
Hmn. Suurepärane. Katse ei nõustunud kummagi eetri interaktsiooni teooriaga. Tegur (1 - 1/n 2) oli mõistatus. Kui võtta sõna-sõnalt, siis see tähendas, et eeter ei seisnud paigal ega liikunud koos veega, vaid osaliselt "libises" sellest mingil moel mööda. Aga kuidas? Miks? Ja mida, kuradit, oli murdumisnäitaja pöördruudul millegagi pistmist? Kellelgi polnud selle katse kohta korralikku seletust.
Sajandivahetuse paiku hakkas Šveitsi patendiameti ebaselge ametnik mõtlema probleemidele E & M-iga ning meie tähelepanu köidab järgmisena see, mida ta sellest arvas.