Was ist Elektromagnetismus:
Elektromagnetismus ist die Studium der Ladungen und der Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus. Elektrizität und Magnetismus sind Aspekte eines einzigen physikalischen Phänomens, das durch die Bewegung und Anziehung von Ladungen in der Materie eng verbunden ist.
Der Teilbereich der Physik, der die Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen untersucht, wird auch als Elektromagnetismus bezeichnet.
Das Wort "Elektrizität" wurde von dem Engländer William Gilbert (1544-1603) aus dem Griechischen vorgeschlagen Elektronen (Art von Bernstein, der Gegenstände anzieht, wenn er mit verschiedenen Substanzen gerieben wird). Andererseits entstand "Magnetismus" wahrscheinlich aus einer türkischen Region mit Vorkommen von magnetisiertem Magnetit (Magnesia), wo ein altgriechischer Stamm namens Magnetes lebte.
Doch erst 1820 gelang es Hans Christian Oersted (1777-1851), die Wirkung eines elektrischen Stroms auf das Verhalten eines Kompasses nachzuweisen, und damit war das Studium des Elektromagnetismus geboren.
Grundlagen des Elektromagnetismus
Magnete und Elektrizität faszinieren die Menschheit seit jeher. Seine anfängliche Herangehensweise nahm verschiedene Wege, die Ende des 19. Jahrhunderts einen Treffpunkt erreichten. Um zu verstehen, worum es beim Elektromagnetismus geht, wollen wir uns einige grundlegende Konzepte ansehen.
Elektrische Ladung
Die elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft der Teilchen, aus denen die Materie besteht. Die Basis aller elektrischen Ladungen liegt in der atomaren Struktur. Das Atom konzentriert positive Protonen im Kern und negative Elektronen bewegen sich um den Kern herum. Wenn die Anzahl der Elektronen und Protonen gleich ist, haben wir ein Atom mit einer neutralen Ladung. Wenn das Atom ein Elektron aufnimmt, bleibt es mit einer negativen Ladung (Anion), und wenn es ein Elektron verliert, bleibt es mit einer positiven Ladung (Kation).
Dann wird es in Betracht gezogen die Ladung des Elektrons als Grundeinheit oder Quanten der elektrischen Ladung. Dies entspricht 1,60 x 10 -19 Coulomb (C), die Maßeinheit für Ladungen, zu Ehren des französischen Physikers Charles Augustin de Coulomb.
Elektrisches Feld und magnetisches Feld
EIN elektrisches Feld Es ist ein Kraftfeld, das eine Ladung oder ein geladenes Teilchen umgibt. Das heißt, ein geladenes Teilchen beeinflusst oder übt eine Kraft auf ein anderes geladenes Teilchen aus, das sich in der Nähe befindet. Das elektrische Feld ist eine Vektorgröße, dargestellt durch den Buchstaben UND deren Einheiten Volt pro Meter (V/m) oder Newton pro Coulomb (N/C) sind.
Auf der anderen Seite ist die Magnetfeld Sie tritt auf, wenn Ladungen fließen oder sich bewegen (elektrischer Strom). Wir können dann sagen, dass dies der Bereich ist, in dem die magnetischen Kräfte wirken. Somit umgibt ein elektrisches Feld jedes geladene Teilchen und die Bewegung des geladenen Teilchens erzeugt ein magnetisches Feld.
Jedes sich bewegende Elektron erzeugt im Atom ein winziges Magnetfeld. Bei den meisten Materialien bewegen sich Elektronen in verschiedene Richtungen, sodass sich die Magnetfelder aufheben. In einigen Elementen wie Eisen, Nickel und Kobalt bewegen sich die Elektronen in eine Vorzugsrichtung und erzeugen ein Nettomagnetfeld. Materialien dieser Art heißen ferromagnetisch.
Magnete und Elektromagnete
EIN Magnet Es ist das Ergebnis der permanenten Ausrichtung der Magnetfelder der Atome in einem Stück Eisen. In einem gewöhnlichen Stück Eisen (oder einem anderen ferromagnetischen Material) sind die Magnetfelder zufällig ausgerichtet, so dass es nicht wie ein Magnet wirkt. Das Hauptmerkmal von Magneten ist, dass sie zwei Pole haben: Nord und Süd.
EIN Elektromagnet Es besteht aus einem Stück Eisen in einer Drahtspule, durch die ein Strom geleitet werden kann. Wenn der Strom eingeschaltet ist, richten sich die Magnetfelder jedes Atoms, aus dem das Eisenstück besteht, mit dem Magnetfeld aus, das durch den Strom in der Drahtspule erzeugt wird, wodurch die Magnetkraft erhöht wird.
Elektromagnetische Induktion
Elektromagnetische Induktion, entdeckt von Joseph Henry (1797-1878) und Michael Faraday (1791-1867), ist die Stromerzeugung durch ein bewegtes Magnetfeld. Indem ein Magnetfeld durch eine Drahtspule oder ein anderes leitfähiges Material geleitet wird, wird beim Schließen des Stromkreises ein Ladungs- oder Stromfluss verursacht.
Elektromagnetische Induktion ist die Grundlage von Generatoren und praktisch aller weltweit erzeugten elektrischen Energie.
Anwendungen des Elektromagnetismus
Elektromagnetismus ist die Grundlage für den Betrieb von elektrischen und elektronischen Geräten, die wir täglich benutzen.
Mikrofone
Mikrofone haben eine dünne Membran, die als Reaktion auf Geräusche vibriert. An der Membran ist eine Drahtspule befestigt, die Teil eines Magneten ist und sich entlang der Membran bewegt. Die Bewegung der Spule durch das Magnetfeld wandelt Schallwellen in elektrischen Strom um, der an einen Lautsprecher übertragen und verstärkt wird.
Generatoren
Generatoren verwenden mechanische Energie, um elektrische Energie zu erzeugen. Mechanische Energie kann aus Wasserdampf stammen, der bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht, oder aus fallendem Wasser in Wasserkraftwerken.
Elektromotor
Ein Motor verwendet elektrische Energie, um mechanische Energie zu erzeugen. Induktionsmotoren verwenden Wechselstrom, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Dies sind die Motoren, die typischerweise in Haushaltsgeräten wie Ventilatoren, Trocknern, Waschmaschinen und Mixern verwendet werden.
Ein Induktionsmotor besteht aus einem rotierenden Teil (Rotor) und einem feststehenden Teil (Stator). Das Rotor Es ist ein Eisenzylinder mit Rillen, entlang denen einige Flossen oder Kupferstäbe angebracht sind. Der Rotor ist in einem Behälter mit Spulen oder Windungen aus leitfähigem Draht eingeschlossen, durch den Wechselstrom geleitet wird, der zu Elektromagneten wird.
Der Durchgang von Wechselstrom durch die Spulen erzeugt ein magnetisches Feld, das wiederum einen Strom und ein magnetisches Feld im Rotor induziert. Durch die Wechselwirkung der Magnetfelder in Stator und Rotor entsteht eine Torsion im Rotor, wodurch Arbeit verrichtet werden kann.
Magnetschwebebahn: Züge, die schweben
Magnetschwebebahnen nutzen Elektromagnetismus, um sich auf einem speziellen Gleis anzuheben, zu führen und anzutreiben. Japan und Deutschland sind Vorreiter beim Einsatz dieser Züge als Transportmittel. Es gibt zwei Technologien: elektromagnetische Federung und elektrodynamische Federung.
Das elektromagnetische Federung sie basiert auf den Anziehungskräften zwischen starken Elektromagneten am Fuß des Zuges und dem Gleis. Die Magnetkraft wird so eingestellt, dass der Zug über dem Gleis hängt, während er von einem Magnetfeld angetrieben wird, das sich durch das Zusammenwirken von seitlichen Magneten im Zug vorwärts bewegt.
Das elektrodynamische Federung sie basiert auf der Abstoßungskraft zwischen Magneten im Zug und einem induzierten Magnetfeld auf der Bahnstrecke. Diese Art von Zug benötigt Räder, um eine kritische Geschwindigkeit zu erreichen, ähnlich wie bei Flugzeugen, die kurz vor dem Start stehen.
Medizinische Diagnostik
Die Magnetresonanztomographie ist eine der Technologien mit den größten Auswirkungen in der modernen Medizin. Sie beruht auf der Wirkung starker Magnetfelder auf die Wasserstoffkerne des Körperwassers.
Elektromagnetische Phänomene
Viele der elektromagnetischen Phänomene, die wir kennen, sind eine Folge des Erdmagnetfeldes. Dieses Feld wird durch elektrische Ströme im Inneren des Planeten erzeugt. Die Erde gleicht dann darin einem großen magnetischen Stab, wobei der magnetische Nordpol am geografischen Südpol liegt und der magnetische Südpol dem geografischen Nordpol entspricht.
Räumliche Orientierung
Der Kompass ist ein Instrument aus etwa 200 Jahren vor Christus. Es basiert auf der Ausrichtung einer magnetisierten Metallnadel in Richtung des geografischen Nordens.
Manche Tiere und andere Lebewesen können das Erdmagnetfeld erkennen und sich so im Weltraum orientieren. Eine der Targeting-Strategien besteht darin, spezialisierte Zellen oder Organe zu verwenden, die Magnetitkristalle, ein Eisenoxidmineral, das ein permanentes Magnetfeld aufrechterhält.
Die nördlichen und südlichen Polarlichter
Das Erdmagnetfeld Es wirkt als Schutzbarriere gegen den Beschuss hochenergetischer ionisierter Teilchen, die von der Sonne (besser bekannt als Sonnenwind) ausgehen. Diese werden in die Polarregionen umgelenkt und regen Atome und Moleküle in der Atmosphäre an. Die charakteristischen Lichter der Polarlichter (boreal auf der Nordhalbkugel und austral auf der Südhalbkugel) sind das Produkt der Energieemanation, wenn die angeregten Elektronen in ihren Grundzustand zurückkehren.
Maxwell und die Theorie des Elektromagnetismus
James Clerk Maxwell leitete zwischen 1864 und 1873 die mathematischen Gleichungen ab, die die Natur der magnetischen und elektrischen Felder erklären. Auf diese Weise lieferten die Maxwell-Gleichungen eine Erklärung der Eigenschaften von Elektrizität und Magnetismus. Konkret zeigen diese Gleichungen:
- wie eine elektrische Ladung ein elektrisches Feld erzeugt,
- wie Ströme Magnetfelder erzeugen und
- wie die Änderung eines magnetischen Feldes ein elektrisches Feld erzeugt.
Die Wellengleichungen von Maxwell dienten auch dazu, zu zeigen, dass die Änderung eines elektrischen Felds eine sich selbst ausbreitende elektromagnetische Welle mit elektrischen und magnetischen Komponenten erzeugt. Maxwells Arbeit vereinte die scheinbar getrennten Bereiche der Physik von Elektrizität, Magnetismus und Licht.
- Elektrizität.
- Magnetismus.
- Physisch.
- Zweige der Physik.
