مثل الشحنات تتنافر ، وتتجاذب الشحنات المعاكسة ، ولكن ما هو حجم قوة الجذب هذه؟ مثلما لديك معادلة لحساب قوة الجاذبية بين كتلتين ، هناك أيضًا صيغة لتحديد القوة الكهربائية بين شحنتين.
وحدة SI للشحنة الكهربائية هي Coulomb (C) وحاملات الشحنة الأساسية هي البروتون ، مع الشحن+ هوالإلكترون مع الشحنة-eحيث الشحنة الأوليةه = 1.602× 10-19 ج. لهذا السبب ، يتم تمثيل شحنة الكائن أحيانًا كمضاعفاته.
قانون كولوم
قانون كولوم ، الذي سمي على اسم عالم الفيزياء الفرنسي تشارلز أوغستين دي كولوم ، يعطي القوة الكهربائية بين شحنتين نقطيتينف1وف2مسافة فاصلةصبصرف النظر عن:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
حيث الثابتكهو ثابت كولوم ،ك = 8.99 × 109 نانومتر2/ ج2.
وحدة SI للقوة الكهربائية هي نيوتن (N) ، تمامًا كما هو الحال مع جميع القوى. اتجاه متجه القوة نحو الشحنة الأخرى (الجذابة) للشحنات المعاكسة وبعيدًا عن الشحنة الأخرى (الطاردة) إذا كانت الشحنات متطابقة.
قانون كولوم ، تمامًا مثل قوة الجاذبية بين كتلتين ، هوقانون التربيع العكسي. هذا يعني أنه يتناقص كمربع معكوس للمسافة بين شحنتين. وبعبارة أخرى ، فإن الشحنات التي تفصل بين بعضها عن بعض مرتين تواجه ربع القوة. ولكن في حين أن هذه الشحنة تتضاءل مع المسافة ، فإنها لا تصل أبدًا إلى الصفر وبالتالي يكون لها نطاق غير محدود
للعثور على القوة على شحنة معينة بسبب عدة رسوم أخرى ، يمكنك استخدام قانون كولوم لتحديد القوة على شحنة بسبب كل من الشحنات الأخرى على حدة ، ثم تقوم بإضافة مجموع متجه للقوى للحصول على النهائي نتيجة.
لماذا قانون كولوم مهم؟
كهرباء ساكنة:قانون كولوم هو سبب صدمتك عند لمس مقبض الباب بعد المشي على السجادة.
عندما تقوم بفرك قدميك على السجادة ، تنتقل الإلكترونات عن طريق الاحتكاك مما يترك لك شحنة صافية. كل الرسوم الزائدة عليك تتنافر. عندما تصل يدك إلى مقبض الباب ، الموصل ، فإن تلك الشحنة الزائدة تجعل القفزة ، مسببة صدمة!
القوة الكهربائية أقوى بكثير من الجاذبية:في حين أن هناك العديد من أوجه التشابه بين القوة الكهربائية وقوة الجاذبية ، فإن القوة الكهربائية لها قوة نسبية قدرها 1036 أضعاف قوة الجاذبية!
تبدو الجاذبية كبيرة بالنسبة لنا فقط لأن الأرض التي نحن عالقون بها كبيرة جدًا ، ومعظم العناصر محايدة كهربائيًا ، مما يعني أن لديهم نفس عدد البروتونات والإلكترونات.
الذرات الداخلية:قانون كولوم ذو صلة أيضًا بالتفاعلات بين النوى الذرية. سوف تتنافر نواتان موجب الشحنة بعضهما البعض بسبب قوة كولوم ما لم تكن قريبة بدرجة كافية من ذلك القوة النووية القوية (التي تتسبب في جذب البروتونات بدلاً من ذلك ولكنها تعمل فقط في نطاق قصير جدًا) هي التي تفوز خارج.
هذا هو سبب الحاجة إلى طاقة عالية لكي تندمج النوى: يجب التغلب على قوى التنافر الأولية. القوة الكهروستاتيكية هي أيضًا السبب في انجذاب الإلكترونات إلى النوى الذرية في المقام الأول وهذا هو السبب في أن معظم العناصر محايدة كهربائيًا.
الاستقطاب:عندما يتم إحضار الجسم المشحون بالقرب من الجسم المحايد ، يتسبب سحب الإلكترون حول الذرات في الجسم المحايد في إعادة توزيع نفسها. هذه الظاهرة تسمىالاستقطاب.
إذا كان الجسم المشحون مشحونًا سالبًا ، يتم دفع سحب الإلكترون إلى الجانب البعيد من الذرات ، مما يجعل الشحنات الموجبة في الذرات أقرب قليلاً من الشحنات السالبة في الذرات ذرة. (يحدث العكس إذا كان جسمًا موجب الشحنة يتم تقريبه).
يخبرنا قانون كولوم أن قوة التجاذب بين الشحنة السالبة والشحنات الموجبة في الجسم المحايد ستكون أقوى قليلاً من القوة الطاردة بين الجسم سالب الشحنة والجسم المحايد بسبب المسافات النسبية بينهما شحنة.
نتيجة لذلك ، على الرغم من أن أحد العناصر محايد تقنيًا ، فلا يزال هناك جاذبية. هذا هو سبب التصاق البالون المشحون بجدار محايد!
أمثلة للدراسة
مثال 1:شحنة +2هوتكلفة -2هبمسافة 0.5 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 \ times 10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (- 2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19 })} {0.005 ^ 2} = -3.69 \ مرات 10 ^ {- 23} \ text {N}
تشير العلامة السالبة إلى أن هذه قوة جذابة.
المثال 2:توجد ثلاث شحنات عند رؤوس مثلث متساوي الأضلاع. في الرأس السفلي الأيسر هو -4هالشحنة. في أسفل الرأس الأيمن هو +2هشحنة ، وفي الرأس العلوي هو +3هالشحنة. إذا كانت أضلاع المثلث 0.8 مم ، فما هي القوة الكلية المؤثرة على +3هالشحنة؟
لحل هذه المشكلة ، تحتاج إلى تحديد مقدار واتجاه القوى الناتجة عن كل شحنة على حدة ، ثم استخدام إضافة المتجه لإيجاد النتيجة النهائية.
القوة بين -4هو +3هالشحنة:
يتم تحديد حجم هذه القوة من خلال:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times 10 ^ 9) \ frac {(- 4 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19 })} {0.0008 ^ 2} = -4.33 \ مرات 10 ^ {- 21} \ text {N}
نظرًا لأن هذه الشحنات لها إشارات معاكسة ، فهذه قوة جذب ، وهي تشير على طول الجانب الأيسر من المثلث باتجاه -4هالشحنة.
القوة بين +2هو +3هالشحنة:
يتم تحديد حجم هذه القوة من خلال:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times 10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19} )} {0.0008 ^ 2} = 2.16 \ مرات 10 ^ {- 21} \ text {N}
نظرًا لأن هذه الشحنات لها نفس العلامة ، فهذه قوة طاردة وتتجه مباشرةً بعيدًا عن +2هالشحنة.
إذا افترضت نظام إحداثيات قياسيًا وقسمت كل متجه قوة إلى مكونات ، فستحصل على:
مضيفاxوذالمكونات تعطي:
ثم تستخدم نظرية فيثاغورس لإيجاد مقدار القوة:
F_ {net} = \ sqrt {(- 3.245 \ times 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1.88 \ times 10 ^ {- 21}) ^ 2} = 3.75 \ times 10 ^ {- 21} \ text { ن}
ويعطيك علم المثلثات الاتجاه:
\ theta = \ tan ^ {- 1} \ frac {F_ {nety}} {F_ {netx}} = \ tan ^ {- 1} \ frac {(- 1.88 \ times 10 ^ {- 21})} {( -3.245 \ مرات 10 ^ {- 21})} = 30
الاتجاه 30 درجة تحت السالبxالمحور (أو 30 درجة أسفل الأفقي إلى اليسار.)