Punktlige belastningsegenskaper og Coulomb Law

EN Punktlig belastning, I sammenheng med elektromagnetisme er det den elektriske ladningen av så små dimensjoner, som kan betraktes som et punkt. For eksempel er elementære partikler som har elektrisk ladning, proton og elektron, så små at dimensjonene deres kan utelates i mange bruksområder. Tenk på at en belastning er punktlig letter arbeidet med å beregne dens interaksjoner og forstå de elektriske egenskapene til saken.

Elementære partikler er ikke de eneste som kan være spesifikke belastninger. De ioniserte molekylene kan også være, de lastede kulene som Charles pleide å. Coulomb (1736-1806) i sine eksperimenter og til og med det samme landet. Alt kan betraktes som spesifikke belastninger, så lenge vi ser dem på avstander mye større enn størrelsen på objektet.

Figur 1. De spesifikke belastningene for det samme tegnet blir frastøtt, mens det motsatte tegnet er tiltrukket. Kilde: Wikimedia Commons.

Siden alle kropper er laget av elementære partikler, er elektrisk ladning en iboende egenskap av materie, akkurat som masse. Du kan ikke ha et elektron uten masse, og heller ikke uten belastning.

[TOC]

Egenskaper

Så vidt vi vet i dag, er det to typer elektrisk ladning: positiv og negativ. Elektronene har en negativ type belastning, mens protonene har det positivt.

Masse med samme tegn blir frastøtt, mens det motsatte tegnet er tiltrukket. Dette er gyldig for alle typer elektriske ladninger, enten punktlig eller distribuert over et objekt med målbare dimensjoner.

I tillegg fant nøye eksperimenter at protonbelastningen og elektronet har nøyaktig samme størrelse.

Et annet veldig viktig poeng å vurdere er at den elektriske ladningen er kvantifisert. Til dags dato er ikke isolerte elektriske belastninger funnet mindre enn elektronbelastningen. Alle er multipler av dette.

Endelig er den elektriske ladningen bevart. Med andre ord, den elektriske ladningen er ikke opprettet og blir ikke ødelagt, men den kan overføres fra ett objekt til et annet. På denne måten, hvis systemet er isolert, forblir den totale belastningen konstant.

Kan tjene deg: 21 viktige hendelser i fysikk

Elektriske ladeenheter

Enheten for elektrisk ladning i det internasjonale systemet med enheter (SI) er Coulomb, forkortet med en hovedstad C, til ære for Charles til. Coulomb (1736-1806), som oppdaget loven som bærer navnet hans og beskriver samspillet mellom to spesifikke anklager. Senere skal vi snakke om henne.

Elektronelektrisk ladning, som er den minste mulige som kan isoleres i naturen, har en styrke på:

og^- = 1.6 x 10 ^-16 C

Coulomb er en ganske stor enhet, så submultiplene brukes ofte:

-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

Og som vi har nevnt før, tegnet på og^- Det er negativt. Protonbelastningen har nøyaktig samme størrelse, men med et positivt tegn.

Skiltene er et spørsmål om stevne, det vil si at det er to typer strøm og det er nødvendig å skille dem, derfor er den ene tildelt tegn (-) og det andre tegnet (+). Benjamin Franklin gjorde denne betegnelsen, og uttalte også belastningsbevaringsprinsippet.

I Franklins tid var den indre strukturen til atomet fremdeles ukjent, men Franklin hadde observert at en silke gnidd glassstang var elektrisk ladet, og kalte denne typen elektrisitetspositiv.

Ethvert objekt som ble tiltrukket av slik strøm, hadde et negativt tegn. Etter at elektronet ble oppdaget, ble det observert at den lastede glassstangen tiltrakk dem, og det var slik elektronbelastningen var negativ.

Coulomb Law for spesifikke belastninger

På slutten av 1700 -tallet dedikerte Coulomb, en ingeniør for den franske hæren, mye tid til å studere egenskapene til materialene, kreftene som virker på bjelkene og friksjonskraften.

Men det huskes mer av loven som bærer navnet hans og beskriver samspillet mellom to spesifikke elektriske anklager.

Kan tjene deg: Magnetisme: Magnetiske egenskaper til materialer, bruksområder

La to elektriske ladninger q₁ og q₂. Coulomb bestemte at kraften mellom dem allerede var ut av attraksjon eller frastøtning, var direkte proporsjonal med produktet av begge ladningene, og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem.

Matematisk:

F∝ q₁ . q₂ / r²

I denne ligningen, F representerer størrelsen på styrken og r Det er avstanden som skiller belastningen. Likhet krever en konstant av proporsjonalitet, som kalles elektrostatisk konstant og er betegnet som k_og.

Dermed:

F = k. q₁ . q₂ /r²

Coulomb fant også ut at styrken ble rettet langs linjen som blir med på lastene. Da ja r Det er enhetsvektoren langs den linjen, Coulombs lov som vektor er:

 Denne formen for Coulomb -loven gjelder bare for spesifikke belastninger.

Anvendelse av Coulomb -loven 

Coulomb brukte en enhet som heter Torsjonsbalanse For dine eksperimenter. Gjennom den kan verdien av den elektrostatiske konstanten etableres i:

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

Neste ser vi en søknad. Du har tre spesifikke belastninger som_TIL, q_B og q_C funnet i posisjonene angitt i figur 2. La oss beregne nettokraften på Q_B.

Figur 2. Kraften på den negative belastningen beregnes av Coulombs lov. Kilde: f. Zapata.

Belastningen q_TIL tiltrekker belastningen q_B, Fordi de er motsatte tegn. Det samme kan sies om Q_C. Det isolerte kroppsdiagrammet er i figur 2 til høyre, som viser at begge kreftene er rettet langs den vertikale aksen eller y -aksen, og har motsatte sanser.

Nettokraften på belastningen q_B er:

F_R = F_AB + F_CB (Superposisjonsprinsipp)

Det gjenstår bare å erstatte numeriske verdier, og pass på å skrive alle enheter i det internasjonale systemet (SI).

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

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

F_R = F_AB + F_CB = 0.000045 (+og) + 0.00036 (-og) N = 0.000315 (-og) N

Tyngdekraft og strøm

Disse to kreftene har samme matematiske form. Selvfølgelig er de forskjellige i verdien av proporsjonalitetskonstanten og der tyngdekraften fungerer med masser, mens strøm gjør det med belastning.

Kan tjene deg: Dynamikk i et partikkelsystem: eksempler, øvelser

Men det viktige er at begge er avhengige av det omvendte til torget på avstanden.

Det er en unik type masse og anses som positiv, så gravitasjonskraften tiltrekker seg alltid, mens ladningene kan være positive eller negative. Derfor kan elektriske krefter være attraksjon eller frastøtning, som tilfellet.

Og vi har denne detaljene som stammer fra ovennevnte: alle gjenstander i fritt fall har samme akselerasjon, mens de er nær jordoverflaten.

Men hvis vi slipper et proton og et elektron i nærheten av et lastet plan, for eksempel, vil elektronet ha en mye større akselerasjon enn proton. I tillegg vil akselerasjoner ha motsatte sanser.

Endelig er den elektriske ladningen kvantifisert, som angitt. Det betyr at vi kan finne belastninger 2.3 eller 4 ganger den for elektronet -eller den av proton -men aldri 1.5 ganger denne belastningen. Massene er i stedet ikke multipler av noen unik masse.

I verden av subatomiske partikler overstiger elektrisk kraft gravitasjonsstørrelsen. På makroskopiske skalaer er imidlertid tyngdekraften den som dominerer. Hvor? På planetens nivå, solsystemet, galaksen og mer.

Referanser

1. Figueroa, d. (2005). Serier: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 5. Elektrostatikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, d. 2006. Fysikk: Prinsipper med applikasjoner. 6. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, l. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortet utgave. Cengage Learning.
4. Knight, r. 2017. Fysikk for forskere og ingeniørfag: En strategitilnærming. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14. Ed. V 2.