Wat is de elektromagnetische kracht?

De elektromagnetische kracht
De elektromagnetische kracht

De complexiteit van het heelal om ons heen is uiteindelijk afkomstig van vier fundamentele krachten: de zwaartekracht, de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en het elektromagnetisme. Elektromagnetisme is een uitdagend onderwerp om te bestuderen maar de basis van wat de kracht is en hoe het werkt is relatief eenvoudig te begrijpen. Vooral de wet van Lorentz geeft de belangrijke punten aan die je moet begrijpen.

Samengevat

Elektromagnetisme is een van de vier fundamentele natuurkrachten in het heelal. De kracht beschrijft hoe geladen deeltjes reageren op elektrische en magnetische velden en de fundamentele verbindingen daartussen. Elektromagnetische kracht wordt, evenals de andere krachten, gemeten in Newton.

Elektrostatische krachten worden beschreven door de wet van Coulomb. Zowel elektrische als magnetische krachten vallen onder de wet van Lorentz. De vier vergelijkingen van Maxwell geven echter de meest gedetailleerde beschrijving van elektromagnetisme.

De basisbeginselen

De term elektromagnetische combineert de elektrische en magnetische krachten in één woord. Beide kracht zijn namelijk te wijten aan hetzelfde onderliggende fenomeen. “Geladen” deeltjes genereren elektrische velden en positieve en negatieve ladingen reageren anders op dat veld. Dit verklaart de kracht die we waarnemen. Bij elektrische interacties duwen positief geladen deeltjes (zoals protonen) positief geladen deeltjes weg en trekken ze negatief geladen deeltjes (zoals elektronen) aan en omgekeerd. Vanaf positieve elektrische ladingen verspreiden elektrische veldlijnen zich direct naar buiten en dit duw deeltjes in de richting van, of in tegengestelde richting, van de veldlijnen.

Magnetisme komt van magnetische velden die worden opgewekt door bewegende deeltjes. Deeltjes reageren anders op magnetische velden dan op elektrische velden. Magnetische veldlijnen vormen cirkels die geen begin en einde hebben. Als reactie hierop bewegen deeltjes in een richting loodrecht op zowel hun beweging als hun veldlijn. Net als bij elektrische krachten bewegen positief geladen deeltjes en negatief geladen deeltjes in tegengestelde richtingen.

De elektromagnetische kracht is de op een na sterkste fundamentele kracht. De sterke kernkracht is het sterkste. Elektromagnetische krachten zijn 137 keer minder krachtig, de zwakke kernkracht is een miljoen keer kleiner en de zwaartekracht is vele malen kleiner dan de rest (ongeveer 6 * 10-39 keer kleiner dan de sterke kernkracht).

Elektrostatische krachten en de wet van Coulomb

Elektrostatische kracht verwijst naar de elektrische kracht die wordt opgewekt door stationaire ladingen. De elektrostatische kracht wordt beschreven door een eenvoudige vergelijking die bekend staat als de wet van Coulomb. Hierin staat dat:

Fc = k * (Q1 * Q2)/r2

Fc                           = de kracht die de ladingen op elkaar uitoefenen, uitgedrukt in N (Newton) of kg * m * s-2
Q1 en Q2               = de beide ladingen, uitgedrukt in C (Coulomb) of As (ampèreseconde)
r                             = de afstand tussen de beide ladingen, uitgedrukt in meter

Een grotere lading produceert een grotere kracht en een grotere afstand doet de kracht afnemen. Zoals met alle krachten wordt de elektromagnetische kracht uitgedrukt in Newton.

De constante k  heeft een specifieke waarde van 9 * 109 N*m2/C2. De lading wordt gemeten in Coulomb (C) en je geeft het teken van de lading (+ of -) samen met de sterkte. De vergelijking heeft dus een positieve waarde voor afstoting en een negatieve voor aantrekking.

De wet van Lorentz

De wet van Lorentz omvat zowel de magnetische als de elektrische krachten. Het is dus een van de beste vertegenwoordigingen van de elektromagnetische kracht. Deze wet zegt:

F = q (E + v * B)

In deze formule is:

E             = het magneetveld
v             = de snelheid van het deeltje
B             = het magneetveld

Deze worden vet afgebeeld omdat het vectoren zijn. Vectoren hebben zowel een richting als een sterkte. Het * symbool is ook vet gedrukt omdat het een vectorproduct is en geen eenvoudige vermenigvuldiging. De vergelijking zegt ons dat de totale kracht de som is van het elektrische veld en het vectorproduct van de snelheid van het deeltje en et magneetveld, alles vermenigvuldigd met de lading van het deeltje. Het vectorproduct produceert een kracht loodrecht op beiden en dit is in lijn zoals beschreven in de vorige paragraaf.

Elektromagnetisme in actie: atomen, licht, elektriciteit en meer

Elektromagnetisme komt in het dagelijks leven en de natuurkunde in verschillende vormen voor. Atomen worden bij elkaar gehouden door de elektromagnetische aantrekkingskracht tussen protonen in de kern en de elektronen die er omheen draaien. Licht is een elektromagnetische golf waarbij een oscillerend elektrisch veld een veranderend magnetisch veld opwekt. Dit laatste veld creëert op zijn beurt weer een elektrisch veld, etc. Dit wordt voorspeld door de vergelijkingen van James Clerk Maxwell. De vier vergelijkingen van Maxwell verklaren alles over elektromagnetisme in de taal van de vectorrekening.

Elektromagnetisme is ook verantwoordelijk voor de elektriciteit die je beeldscherm en het apparaat waarom je deze tekst leest, van stroom voorziet. Deze voorbeelden zijn slechts enkelen van een breed scala aan verschijnselen die met behulp van elektromagnetisme verklaard kan worden.

Andere artikelen in deze serie:

  • De vier fundamentele natuurkrachten
  • Wat is de zwakke kernkracht
  • Wat is de sterke kernkracht
  • Wat is zwaartekracht

 

Eerste publicatie: 30 september 2020
Bron: kuuke’s natuurkundeboeken