TAŠKINIS KRŪVIS: SAVYBĖS IR KULONO DĖSNIS - FIZINIS - 2024

Mokestis taškas , į elektromagnetizmo kontekste, yra tai, kad elektros krūvį tokių mažų matmenų, kad jis gali būti laikomas taškas. Pavyzdžiui, elementariosios dalelės, turinčios elektrinį krūvį, protonas ir elektronas, yra tokios mažos, kad jų matmenis galima praleisti daugelyje programų. Atsižvelgiant į tai, kad krūvis yra orientuotas į tašką, daug lengviau apskaičiuoti jo sąveiką ir suprasti elektrines materijos savybes.

Elementariosios dalelės nėra vienintelės, kurios gali būti taškinės. Jie taip pat gali būti jonizuotos molekulės, įkrautos sferos, kurias savo eksperimentuose naudojo Charlesas A. Coulombas (1736–1806), ir net pati Žemė. Visi gali būti laikomi taškiniais krūviais, jei matome juos daug didesniais atstumais nei objekto dydis.

1 paveikslas. To paties ženklo taškiniai krūviai atstumia vienas kitą, o priešingo ženklo taškai - traukia. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Kadangi visi kūnai yra sudaryti iš elementarių dalelių, elektrinis krūvis yra neatskiriama materijos savybė, kaip ir masė. Jūs negalite turėti elektrono be masės, taip pat be įkrovimo.

Savybės

Kiek mes žinome šiandien, yra dviejų tipų elektros krūvis: teigiamas ir neigiamas. Elektronai turi neigiamą krūvį, o protonai - teigiamą.

To paties ženklo mokesčiai atstumia, o priešingo ženklo mokesčiai traukia. Tai galioja bet kokio tipo elektros krūviui, tiek punktualiam, tiek paskirstytam per išmatuojamų matmenų objektą.

Be to, kruopščiais eksperimentais nustatyta, kad protono ir elektronų krūvis yra lygiai toks pats.

Kitas labai svarbus dalykas, į kurį reikia atkreipti dėmesį, yra tas, kad elektros krūvis yra kiekybiškai įvertintas. Iki šiol nebuvo rasta nei vieno izoliuoto elektros krūvio, kurio dydis būtų mažesnis už elektrono krūvį. Jie visi tai kartoja.

Galiausiai išsaugomas elektros krūvis. Kitaip tariant, elektros krūvis nėra nei sukuriamas, nei sunaikinamas, tačiau jis gali būti perkeltas iš vieno objekto į kitą. Tokiu būdu, jei sistema izoliuojama, bendra apkrova išlieka pastovi.

Elektros krūvio vienetai

Elektros įkrovos vienetas Tarptautinėje vienetų sistemoje (SI) yra Kulonas, sutrumpintai pažymėtas sostine C, garbei Charlesas A. Coulombas (1736–1806), kuris atrado įstatymą, kuris yra jo vardas ir apibūdina sąveiką. tarp dviejų taškų mokesčių. Apie tai kalbėsime vėliau.

Mažiausias elektrono, kuris gali būti izoliuotas gamtoje, elektrinis krūvis turi:

Kulonas yra gana didelis vienetas, todėl dažnai naudojami submultiniai:

Ir kaip jau minėjome anksčiau, e ženklas ^- neigiamas. Protono krūvis yra lygiai toks pats, tačiau su teigiamu ženklu.

Ženklai yra įprastiniai dalykai, tai yra, yra dvi elektros energijos rūšys ir jas reikia atskirti, todėl vienai priskiriamas ženklas (-), o kitai - (+). Benjaminas Franklinas paskyrė šį paskyrimą ir taip pat išreiškė kaltinimo išsaugojimo principą.

Iki Franklino laiko vidinė atomo sandara dar nebuvo žinoma, tačiau Franklinas pastebėjo, kad šilku patrinta stiklo lazdelė įkraunama elektra ir vadina tokią elektros energiją teigiama.

Bet kuris objektas, kurį patraukė minėta elektra, turėjo neigiamą ženklą. Po to, kai buvo aptiktas elektronas, buvo pastebėta, kad įkrautas stiklo lazdele juos traukia, ir štai kaip elektronų krūvis tapo neigiamas.

Kulono įstatymas dėl taškinių mokesčių

XVIII amžiaus pabaigoje Coulombas, Prancūzijos armijos inžinierius, ilgą laiką tyrinėjo medžiagų savybes, sijas veikiančias jėgas ir trinties jėgą.

Bet jis geriausiai įsimenamas už įstatymą, kuris yra jo vardas ir apibūdina dviejų taškų elektros krūvių sąveiką.

Tebūnie du elektros krūviai q ₁ ir q ₂ . Kulonas nustatė, kad jėga tarp jų, arba pritraukimas, arba atstumas, buvo tiesiogiai proporcinga abiejų krūvių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui.

Matematiškai:

Šioje lygtyje F žymi jėgos dydį, o r yra atstumas tarp krūvių. Lygybei reikalinga proporcingumo konstanta, kuri vadinama elektrostatiniu konstantu ir žymima kaip k _e .

Taigi:

Be to, Kulonas nustatė, kad jėga buvo nukreipta palei liniją, jungiančią įkrovas. Taigi, jei r yra vieneto vektorius išilgai minėtos linijos, Kulono įstatymas kaip vektorius yra:

Kulono įstatymo taikymas

Savo eksperimentams Kulonas naudojo prietaisą, vadinamą sukimo balansu. Per tai buvo galima nustatyti elektrostatinės konstantos vertę:

Kitas pamatysime programą. Trijų taškų kroviniai priimami q _A , Q _B q _C , kurie yra pozicijas pavaizduota 2. Apskaičiuokite grynojo jėga q _B .

2 pav. Neigiamo krūvio jėga apskaičiuojama pagal Kulono dėsnį. Šaltinis: F. Zapata.

Krūvis q _A pritraukia krūvį q _B , nes jie turi priešingus ženklus. Tą patį galima pasakyti apie q _C . Izoliuota kūno schema pavaizduota 2 paveiksle dešinėje, kurioje pastebėta, kad abi jėgos nukreiptos išilgai vertikaliosios ašies arba y ašies ir turi priešingas puses.

Grynoji krūvio jėga q _B yra:

F _R = F _AB + F _CB (superpozicijos principas)

Belieka tik pakeisti skaitines vertes, pasirūpinant, kad visi vienetai būtų įrašyti į tarptautinę sistemą (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

Gravitacija ir elektra

Šios dvi jėgos turi tą pačią matematinę formą. Žinoma, jie skiriasi proporcingumo konstantos verte ir tuo, kad gravitacija veikia mases, o elektra veikia su krūviais.

Bet svarbu yra tai, kad abu priklauso nuo atstumo kvadrato atvirkštinės.

Yra unikalus masės tipas, kuris laikomas teigiamu, todėl gravitacinė jėga visada yra patraukli, o krūviai gali būti teigiami arba neigiami. Dėl šios priežasties elektrinės jėgos gali būti patrauklios arba atstumiančios, atsižvelgiant į atvejį.

Ir mes turime šią detalę, išvestą iš to, kas išdėstyta aukščiau: visi laisvo kritimo objektai turi tą patį pagreitį, jei jie yra arti Žemės paviršiaus.

Bet jei mes, pavyzdžiui, paleisime protoną ir elektroną šalia įkrautos plokštumos, elektronas turės daug didesnį pagreitį nei protonas. Be to, pagreičiai turės priešingas puses.

Galiausiai, kaip sakoma, elektros krūvis kiekybiškai įvertinamas. Tai reiškia, kad krūvius galime rasti 2,3 arba 4 kartus daugiau nei elektronai ar protonai, bet niekada 1,5 karto daugiau. Kita vertus, masės nėra kažkokios vienos masės kartotinės.

Subatominių dalelių pasaulyje elektrinė jėga pagal dydį viršija gravitacinę. Tačiau makroskopinėse skalėse vyrauja gravitacijos jėga. Kur? Planetų lygyje yra Saulės sistema, galaktika ir dar daugiau.

Nuorodos

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. 5 tomas. Elektrostatika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6-asis. Edas Prentice'o salė.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: žvilgsnis į pasaulį. 6-as sutrumpintas leidimas. „Cengage“ mokymasis.
4. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.
5. Searsas, Zemansky. 2016. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14-oji. V 2 leidimas.