Punktualne właściwości obciążenia i prawo kulombowskie

A Obciążenie punktualne, W kontekście elektromagnetyzmu jest to, że ładunek elektryczny o tak małych wymiarach, który można uznać za punkt. Na przykład cząsteczki elementarne, które mają ładunek elektryczny, proton i elektron, są tak małe, że ich wymiary można pominąć w wielu zastosowaniach. Weź pod uwagę, że obciążenie jest punktualne ułatwia pracę obliczania jego interakcji i zrozumienia właściwości elektrycznych materii.

Cząsteczki elementarne nie są jedynymi, które mogą być obciążeniami specyficznymi. Mogą również jonizowane cząsteczki, załadowane kule, które Charles użył. Coulomb (1736-1806) w swoich eksperymentach, a nawet tej samej ziemi. Wszystkie można uznać za obciążenia określone, o ile widzimy je w odległości znacznie większych niż rozmiar obiektu.

Rysunek 1. Szczegółowe obciążenia tego samego znaku są odpychane, podczas gdy przyciągane są przeciwne znak. Źródło: Wikimedia Commons.

Ponieważ wszystkie ciała są wykonane z elementarnych cząstek, ładunek elektryczny jest nieodłączną właściwością materii, podobnie jak masa. Nie możesz mieć elektronu bez masy i ani bez obciążenia.

[TOC]

Nieruchomości

O ile dziś wiemy, istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego: pozytywne i ujemne. Elektrony mają obciążenie typu ujemnego, podczas gdy protony mają go dodatnie.

Ładunki tego samego znaku są odpychane, podczas gdy przyciągany jest przeciwny znak. Jest to ważne dla każdego rodzaju ładunku elektrycznego, punktualnego lub rozłożonego na obiekcie wymiernych wymiarów.

Ponadto staranne eksperymenty wykazały, że obciążenie protonowe i elektron mają dokładnie tę samą wielkość.

Kolejnym bardzo ważnym punktem do rozważenia jest kwantyzowanie ładunku elektrycznego. Do tej pory izolowane obciążenia elektryczne nie znaleziono mniej niż obciążenie elektronów. Wszystkie są z tego wielokrotności.

Wreszcie, ładunek elektryczny jest zachowany. Innymi słowy, ładunek elektryczny nie jest tworzony ani nie jest niszczony, ale można go przenieść z jednego obiektu do drugiego. W ten sposób, jeśli układ jest izolowany, całkowite obciążenie pozostaje stałe.

Może ci służyć: 21 ważnych wydarzeń fizyki

Elektryczne jednostki ładunku

Jednostką do ładowania elektrycznego w międzynarodowym systemie jednostek (SI) jest Coulomb, w skrócie kapitału C, na cześć Karola. Coulomb (1736–1806), który odkrył prawo, które nosi jego imię i opisuje interakcję między dwoma konkretnymi zarzutami. Później porozmawiamy o niej.

Elektronowy ładunek elektryczny, który jest najmniejszy możliwy, który można izolować w naturze, ma wielkość:

I^- = 1.6 x 10 ^-16 C

Coulomb jest dość dużą jednostką, więc często używane są podmiotowe:

-1 Mili C = 1 mc = 1 x 10^-3 C

-1 mikro c = 1 μc = 1 x 10^-6 C

-1 nano c = 1 nc = 1 x 10^-9 C

I jak wspomnieliśmy wcześniej, znak I^- To jest negatywne. Obciążenie protonowe ma dokładnie taką samą wielkość, ale ze znakiem dodatnim.

Znaki są kwestią konwencji, to znaczy istnieją dwa rodzaje energii elektrycznej i konieczne jest je rozróżnić, dlatego jeden jest przypisany znak (-), a drugi znak (+). Benjamin Franklin dokonał tego oznaczenia, a także wypowiedział zasadę ochrony obciążenia.

Przez czas Franklin wewnętrzna struktura atomu była nadal nieznana, ale Franklin zauważył, że jedwabny szklany pręt został naładowany elektrycznie, nazywając tego rodzaju energię elektryczną dodatnią.

Każdy obiekt, który przyciągnął taką energię elektryczną, miał znak ujemny. Po odkryciu elektronu zaobserwowano, że przyciągnął je załadowany szklany pręt i w ten sposób obciążenie elektronów było ujemne.

Prawo kulombowskie dotyczące określonych obciążeń

Pod koniec XVIII wieku Coulomb, inżynier armii francuskiej, poświęcił dużo czasu na zbadanie właściwości materiałów, sił, które działają na wiązkach i siła tarcia.

Ale bardziej pamięta prawem, które nosi jego imię i opisuje interakcję między dwoma konkretnymi ładunkami elektrycznymi.

Może ci służyć: magnetyzm: właściwości magnetyczne materiałów, zastosowania

Niech dwa ładunki elektryczne Q₁ I Q₂. Coulomb ustalił, że siła między nimi, już z przyciągania lub odpychania, była bezpośrednio proporcjonalna do iloczyn obu ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Matematycznie:

F∝ q₁ . Q₂ / R²

W tym równaniu, F reprezentuje wielkość siły i R Jest to odległość oddzielająca obciążenia. Równość wymaga stałej proporcjonalności, która nazywa się stałą elektrostatyczną i jest oznaczona jako k_I.

Zatem:

F = k. Q₁ . Q₂ /R²

Coulomb stwierdził również, że siła była skierowana wzdłuż linii, która dołącza do ładunków. W takim razie tak R Jest to wektor jednostkowy wzdłuż tej linii, prawo Coulomba jako wektora to:

 Ta forma prawa Coulomba dotyczy tylko określonych obciążeń.

Zastosowanie prawa kulombowskiego 

Coulomb użył urządzenia o nazwie Bilans skrętny Do eksperymentów. Dzięki temu wartość stałej elektrostatycznej można ustalić w:

k_I = 8.99 x 10⁹ N m²/C² ≈ 9.0 x 10⁹ N m²/C²

Następnie zobaczymy aplikację. Masz trzy określone obciążenia, które_DO, Q_B i Q_C znalezione w pozycjach wskazanych na ryc. 2. Obliczmy siłę netto na Q_B.

Rysunek 2. Siła obciążenia ujemnego jest obliczana na podstawie prawa Coulomba. Źródło: f. Zapata.

Obciążenie q_DO przyciąga ładunek Q_B, Ponieważ są przeciwnymi znakami. To samo można powiedzieć o Q_C. Izolowany schemat ciała znajduje się na ryc. 2 po prawej, co pokazuje, że obie siły są skierowane wzdłuż osi pionowej lub osi y i mają przeciwne zmysły.

Siła netto na obciążeniu q_B Jest:

F_R = F_Ab + F_CB (Zasada superpozycji)

Pozostaje tylko zastąpienie wartości liczbowych, starając się pisać wszystkie jednostki w systemie międzynarodowym (SI).

F_Ab = 9.0 x 10⁹ x 1 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (2 x 10^-2) ² N (+I) = 0.000045 (+I) N

F_CB = 9.0 x 10⁹ x 2 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (1 x 10^-2) ² N (-I) = 0.00036 (-I) N

F_R = F_Ab + F_CB = 0.000045 (+I) + 0.00036 (-I) N = 0.000315 (-I) N

Grawitacja i elektryczność

Te dwie siły mają tę samą formę matematyczną. Oczywiście różnią się wartością stałej proporcjonalności i w której grawitacja działa z masami, podczas gdy elektryczność robi to z obciążeniami.

Może ci służyć: dynamika układu cząstek: przykłady, ćwiczenia

Ale ważne jest to, że oba zależą od odwrotności kwadratu odległości.

Istnieje unikalny rodzaj masy i jest uważany za pozytywny, więc siła grawitacyjna zawsze przyciąga, podczas gdy ładunki mogą być pozytywne lub negatywne. Dlatego siły elektryczne mogą być przyciąganiem lub odpychaniem, jak w przypadku.

I mamy ten szczegół, który wywodzi się z powyższych: wszystkie obiekty w wolnym jesieni mają takie same przyspieszenie, podczas gdy znajdują się w pobliżu powierzchni ziemi.

Ale jeśli zwolnimy proton i elektron w pobliżu załadowanej płaszczyzny, elektron będzie miał znacznie większe przyspieszenie niż elektron protonu. Ponadto przyspieszenia będą miały przeciwne zmysły.

Na koniec ładunek elektryczny jest kwantyzowany, jak podano. Oznacza to, że możemy znaleźć obciążenia 2.3 lub 4 razy więcej niż elektron -lub w przypadku protonu -ale nigdy 1.5 razy to obciążenie. Masy zamiast tego nie są wielokrotnością żadnej unikalnej masy.

W świecie cząstek subatomowych siła elektryczna przekracza wielkość grawitacyjną. Jednak w skalach makroskopowych siła grawitacji jest tą, która dominuje. Gdzie? Na poziomie planet, układu słonecznego, galaktyki i innych.

Bibliografia

1. Figueroa, zm. (2005). Seria: Fizyka nauk i inżynierii. Tom 5. Elektrostatyka. Pod redakcją Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, zm. 2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. skrócone wydanie. Cengage Learning.
4. Knight, r. 2017. Fizyka dla naukowców i inżynierii: podejście strategiczne. osoba.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z nowoczesną fizyką. 14. Wyd. V 2.