الشحنة الكهربائية هي خاصية فيزيائية أساسية للمادة وعلى وجه الخصوص الجسيمات دون الذرية والبروتونات والإلكترونات. مثلما تمتلك الذرات كتلة ، فإن هذه الجسيمات لها شحنة ، وهناك قوة كهربائية ومجال كهربائي مرتبطان بهذه الشحنة.
خصائص الشحنة الكهربائية
تأتي الشحنة الكهربائية في نوعين:شحنة موجبة وشحنة سالبة، والتي ، كما توحي أسمائهم ، لها علامات معاكسة (على عكس الكتلة ، التي لها صنف واحد فقط). تمارس الأجسام ذات الشحنة الكهربائية قوة كهربائية على بعضها البعض ، تمامًا كما تفعل الأجسام ذات الكتلة من خلال قوة الجاذبية. ولكن بدلاً من أن تكون دائمًا قوة جذابة ، كما هو الحال مع الكتلة ، فإن الشحنات المعاكسة تتجاذب بينما تتنافر مثل الشحنات.
وحدة الشحن في النظام الدولي للوحدات هي كولوم (C). يُعرَّف كولوم واحد بأنه مقدار الشحنة التي يمكن نقلها بواسطة أمبير واحد من التيار الكهربائي في ثانية واحدة. وحاملات الشحنة الأساسية هي البروتون مع الشحن+ هوالإلكترون مع الشحنة-eحيث الشحنة الأوليةه = 1.602 × 10-19 ج.
صافي شحنة الجسم هو عدد البروتوناتنصناقص عدد الإلكتروناتنهمراته:
\ text {net charge} = (N_p - N_e) e
معظم الذرات متعادلة كهربائيًا ، مما يعني أن لديها أعدادًا متساوية من البروتونات والإلكترونات ، لذا فإن شحنتها الصافية تساوي صفرًا. إذا اكتسبت ذرة إلكترونات أو فقدت ، فإنها تسمى أيونًا وسيكون لها صافي شحنة غير صفرية. تُظهر الأجسام ذات الشحنة الصافية كهرباء ثابتة ويمكن أن تتشبث ببعضها البعض نتيجة قوة تعتمد على مقدار الشحنة.
لاحظ أن هذا النقل للإلكترونات بين الذرات أو بين الأشياء لا يؤدي أيضًا إلى تغيير كبير في كتلة الأجسام. هذا لأنه في حين أن البروتونات والإلكترونات لها نفس حجم الشحنة ، إلا أن كتلتها مختلفة جدًا. كتلة الإلكترون 9.11 × 10-31 kg بينما كتلة البروتون 1.67 × 10-27 كلغ. البروتون أثقل 1000 مرة من الإلكترون!
قانون كولوم: الصيغة
يعطي قانون كولوم القوة الكهروستاتيكيةFبين شحنتين ،ف1وف2مسافةصبعيدا، بمعزل، على حد:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
أينكهل ثابت كولوم = 8.99 × 109 نانومتر2/ ج2.
لاحظ أن هذه القوة هي أالمتجه،الذي يشير على طول خط موجه بعيدًا عن الجسيم الآخر إذا كانت الشحنات متشابهة ونحو الجسيم الآخر إذا كانت الشحنات معاكسة.
قانون كولوم ، تمامًا مثل قوة الجاذبية بين كتلتين ، هو قانون التربيع العكسي. هذا يعني أنه يتناقص كمربع معكوس للمسافة بين شحنتين. بعبارة أخرى ، تواجه الشحنات التي تفصل بينها ضعف المسافة ربع القوة. ولكن في حين أن هذه الشحنة تتضاءل مع المسافة ، فإنها لا تصل أبدًا إلى الصفر وبالتالي لها نطاق لانهائي.
أمثلة للدراسة
مثال 1:شحنة +2هوشحنة من -4هبمسافة 0.25 سم. ما مقدار قوة كولوم بينهما؟
باستخدام قانون كولوم ، والتأكد من تحويل سم إلى م ، تحصل على:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ مرات 1.602 \ مرات 10 ^ {- 19 })} {0.0025 ^ 2} = 2.95 \ مرات 10 ^ {- 22} \ text {N}
المثال 2:افترض أن الإلكترون والبروتون مفصولان بمسافة 1 مم. كيف تقارن قوة الجاذبية بينهما بالقوة الكهروستاتيكية؟
يمكن حساب قوة الجاذبية من المعادلة:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
حيث ثابت الجاذبيةجي = 6.67 × 10-11 م3/kgs2.
إدخال الأرقام يعطي:
F_ {grav} = (6.67 \ times 10 ^ {- 11}) \ frac {(1.67 \ times 10 ^ {- 27}) (9.11 \ times 10 ^ {- 31})} {(1 \ times 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1.015 \ مرات 10 ^ {- 61} \ نص {N}
القوة الكهروستاتيكية مُعطاة بموجب قانون كولوم:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times10 ^ 9) \ frac {(1.602 \ times 10 ^ {- 19}) (- 1.602 \ times 10 ^ {- 19}) } {(1 \ مرات 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ مرات 10 ^ {- 22} \ نص {N}
القوة الكهروستاتيكية بين البروتون والإلكترون أكثر من 1039 مرات أكبر من قوة الجاذبية!
