- Nieruchomości
- Jednostki ładunku elektrycznego
- Prawo Coulomba dla opłat punktowych
- Zastosowanie prawa Coulomba
- Grawitacja i elektryczność
- Bibliografia
Ładunku punktowego w ramach elektromagnetyzmu, że ładunek elektryczny tak małych wymiarach, że mogą być uznane za punkt. Na przykład cząstki elementarne, które mają ładunek elektryczny, proton i elektron, są tak małe, że w wielu zastosowaniach można pominąć ich wymiary. Biorąc pod uwagę, że ładunek jest zorientowany punktowo, obliczenie jego interakcji i zrozumienie elektrycznych właściwości materii jest znacznie łatwiejsze.
Nie tylko cząstki elementarne mogą być ładunkami punktowymi. Mogą to być także zjonizowane cząsteczki, naładowane sfery, których Charles A. Coulomb (1736-1806) użył w swoich eksperymentach, a nawet sama Ziemia. Wszystkie można uznać za ładunki punktowe, o ile widzimy je z odległości znacznie większych niż rozmiar obiektu.
Rysunek 1. Ładunki punktowe tego samego znaku odpychają się, a przeciwnego znaku przyciągają. Źródło: Wikimedia Commons.
Ponieważ wszystkie ciała są zbudowane z cząstek elementarnych, ładunek elektryczny jest nieodłączną właściwością materii, podobnie jak masa. Nie można mieć elektronu bez masy, a także bez ładunku.
Nieruchomości
O ile dziś wiemy, istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatni i ujemny. Elektrony mają ładunek ujemny, podczas gdy protony mają ładunek dodatni.
Ładunki o tym samym znaku odpychają się, a przeciwne - przyciągają. Dotyczy to każdego rodzaju ładunku elektrycznego, punktualnego lub rozłożonego na obiekcie o mierzalnych wymiarach.
Co więcej, dokładne eksperymenty wykazały, że ładunek na protonie i elektronie mają dokładnie taką samą wielkość.
Kolejną bardzo ważną kwestią do rozważenia jest kwantowanie ładunku elektrycznego. Jak dotąd nie znaleziono żadnych izolowanych ładunków elektrycznych o wielkości mniejszej niż ładunek elektronu. Wszystkie są wielokrotnościami tego.
Wreszcie ładunek elektryczny zostaje zachowany. Innymi słowy, ładunek elektryczny nie jest ani tworzony, ani niszczony, ale może być przenoszony z jednego obiektu na drugi. W ten sposób, jeśli system jest izolowany, całkowite obciążenie pozostaje stałe.
Jednostki ładunku elektrycznego
Jednostką ładunku elektrycznego w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) jest Coulomb, w skrócie C, na cześć Charlesa A.Coulomba (1736-1806), który odkrył prawo, które nosi jego imię i opisuje interakcję. między dwoma opłatami punktowymi. Porozmawiamy o tym później.
Ładunek elektryczny elektronu, który jest najmniejszy z możliwych możliwych do wyodrębnienia w naturze, ma wielkość:
Coulomb to dość duża jednostka, dlatego często używa się podwielokrotności:
Jak wspomnieliśmy wcześniej, znak e - jest ujemny. Ładunek na protonie ma dokładnie taką samą wielkość, ale ze znakiem dodatnim.
Znaki są kwestią konwencji, to znaczy istnieją dwa rodzaje elektryczności i konieczne jest ich rozróżnienie, dlatego jednemu przypisany jest znak (-), a drugiemu (+). Benjamin Franklin dokonał tego określenia, a także ogłosił zasadę zachowania ładunku.
W czasach Franklina wewnętrzna struktura atomu była wciąż nieznana, ale Franklin zauważył, że pręt szklany potarty jedwabiem został naładowany elektrycznie, nazywając ten rodzaj elektryczności dodatnim.
Każdy obiekt, który został przyciągnięty przez wspomnianą elektryczność, miał znak ujemny. Po odkryciu elektronu zaobserwowano, że przyciągał go naładowany szklany pręt i w ten sposób ładunek elektronu stał się ujemny.
Prawo Coulomba dla opłat punktowych
Pod koniec XVIII wieku Coulomb, inżynier armii francuskiej, przez długi czas badał właściwości materiałów, siły działające na belki i siłę tarcia.
Ale najlepiej jest go zapamiętać z powodu prawa, które nosi jego imię i opisuje interakcję między dwoma punktowymi ładunkami elektrycznymi.
Niech będą dwa ładunki elektryczne q 1 i q 2 . Coulomb ustalił, że siła między nimi, przyciąganie lub odpychanie, jest wprost proporcjonalna do iloczynu obu ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.
Matematycznie:
W tym równaniu F reprezentuje wielkość siły, a r jest odległością między ładunkami. Równość wymaga stałej proporcjonalności, która nazywana jest stałą elektrostatyczną i jest oznaczana jako k e .
A zatem:
Ponadto Coulomb odkrył, że siła była skierowana wzdłuż linii łączącej ładunki. Tak więc, jeśli r jest wektorem jednostkowym wzdłuż wspomnianej linii, prawo Coulomba jako wektora jest następujące:
Zastosowanie prawa Coulomba
Coulomb używał do swoich eksperymentów urządzenia zwanego równowagą skrętną. Dzięki niemu można było ustalić wartość stałej elektrostatycznej w:
Następnie zobaczymy aplikację. Trzypunktowym obciążenia są brane q A , q B q C , które są w pozycjach pokazanych na rysunku 2. Wyliczyć siłę netto na Q B .
Rysunek 2. Siłę działającą na ładunek ujemny oblicza się według prawa Coulomba. Źródło: F. Zapata.
Ładunek q A przyciąga ładunek q B , ponieważ mają przeciwne znaki. To samo można powiedzieć o Q C . Schemat izolowanego ciała przedstawiono na rysunku 2 po prawej stronie, na którym obserwuje się, że obie siły są skierowane wzdłuż osi pionowej lub osi y i mają przeciwne kierunki.
Siła netto na ładunku q B wynosi:
F R = F AB + F CB (zasada superpozycji)
Pozostaje tylko podstawić wartości liczbowe, uważając, aby zapisać wszystkie jednostki w układzie międzynarodowym (SI).
F AB = 9,0 x 10 9 x 1 x 10 -9 x 2 x 10 -9 / (2 x 10 -2 ) 2 N (+ y) = 0,000045 (+ y) N
F CB = 9,0 x 10 9 x 2 x 10 -9 x 2 x 10 -9 / (1 x 10 -2 ) 2 N (- y ) = 0,00036 (- y ) N
F R = F AB + F CB = 0,000045 (+ y) + 0,00036 (- y ) N = 0,000315 (- y) N
Grawitacja i elektryczność
Te dwie siły mają tę samą formę matematyczną. Różnią się one oczywiście wartością stałej proporcjonalności i tym, że grawitacja działa z masami, a elektryczność z ładunkami.
Ale ważne jest to, że oba zależą od odwrotności kwadratu odległości.
Istnieje wyjątkowy rodzaj masy i uważa się go za dodatni, więc siła grawitacji jest zawsze atrakcyjna, podczas gdy ładunki mogą być dodatnie lub ujemne. Z tego powodu siły elektryczne mogą być przyciągające lub odpychające, w zależności od przypadku.
I mamy ten szczegół, który pochodzi z powyższego: wszystkie obiekty spadające swobodnie mają takie samo przyspieszenie, o ile znajdują się blisko powierzchni Ziemi.
Ale jeśli na przykład uwolnimy proton i elektron w pobliżu naładowanej płaszczyzny, elektron będzie miał znacznie większe przyspieszenie niż proton. Ponadto przyspieszenia będą miały przeciwne kierunki.
Wreszcie ładunek elektryczny jest kwantowany, tak jak powiedziano. Oznacza to, że możemy znaleźć ładunki 2,3 lub 4 razy większe od ładunku elektronu lub protonu, ale nigdy nie 1,5 razy większe od ładunku. Z drugiej strony masy nie są wielokrotnościami jednej masy.
W świecie cząstek subatomowych siła elektryczna przewyższa siłę grawitacyjną pod względem wielkości. Jednak w skalach makroskopowych dominuje siła grawitacji. Gdzie? Na poziomie planet, układu słonecznego, galaktyki i nie tylko.
Bibliografia
- Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 5. Elektrostatyka. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
- Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed Prentice Hall.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning.
- Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba.
- Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14. Wydanie V 2.