Електрическият заряд е основно физическо свойство на материята и по-специално на субатомните частици протони и електрони. Точно както атомите имат маса, тези частици имат заряд и има електрическа сила и електрическо поле, свързани с този заряд.
Свойства на електрическия заряд
Електрическото зареждане се предлага в две разновидности:положителен заряд и отрицателен заряд, които, както предполагат имената им, имат противоположни знаци (за разлика от масата, която има само един сорт). Обектите с електрически заряд упражняват електрическа сила един върху друг, точно както обектите с маса правят чрез гравитационната сила. Но вместо винаги да бъдат привлекателна сила, както при масата, противоположните заряди се привличат, докато подобни заряди се отблъскват.
Единицата за зареждане на SI е кулонът (C). Един кулон се дефинира като количеството заряд, което може да се пренесе от един ампер електрически ток за една секунда. Основните носители на заряд са протонът със заряд+ ди електронът със заряд-е, където елементарният зарядд = 1.602 × 10-19 ° С.
Нетният заряд на обект е броят на протонитенстрминус броя на електронитендпътид:
\ text {нетна такса} = (N_p - N_e) д
Повечето атоми са електрически неутрални, което означава, че те имат равен брой протони и електрони, така че нетният им заряд е 0 С. Ако атомът спечели или загуби електрони, той се нарича йон и ще има ненулев нетен заряд. Обектите с нетен заряд показват статично електричество и в резултат могат да се придържат един към друг със сила, зависима от количеството заряд.
Обърнете внимание, че този трансфер на електрони между атоми или между обекти не води и до значителна промяна в масата на обектите. Това е така, защото докато протоните и електроните имат еднаква величина на заряда, те имат много различни маси. Масата на електрон е 9,11 × 10-31 кг, докато масата на протон е 1,67 × 10-27 килограма. Протонът е над 1000 пъти по-тежък от електрон!
Законът на Кулон: Формула
Законът на Кулон дава електростатичната силаFмежду две зареждания,q1иq2разстояниеrна части:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Къдетоке константата на Кулон = 8,99 × 109 Нм2/° С2.
Имайте предвид, че тази сила е aвектор,която сочи по линия, насочена встрани от другата частица, ако зарядите са еднакви и към другата частица, ако зарядите са противоположни.
Законът на Кулон, точно както силата на гравитацията между две маси, е обратен квадратен закон. Това означава, че тя намалява като обратен квадрат на разстоянието между два заряда. С други думи, зарядите, които са два пъти по-различни, изпитват една четвърт от силата. Но докато този заряд намалява с разстоянието, той никога не отива на нула и така има безкраен обхват.
Примери за изучаване
Пример 1:Заряд от +2ди заряд от -4дса разделени на разстояние 0,25 cm. Каква е величината на кулоновската сила между тях?
Използвайки закона на Кулон и като се уверите, че преобразувате cm в m, получавате:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ по 1,602 \ по 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ по 10 ^ {- 22} \ текст {N}
Пример 2:Да предположим, че електрон и протон са разделени на разстояние 1 мм. Как гравитационната сила между тях се сравнява с електростатичната сила?
Гравитационната сила може да се изчисли от уравнението:
F_ {гравиране} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Където гравитационната константаG = 6.67 × 10-11 м3/kgs2.
Включването на числа дава:
F_ {гравиране} = (6,67 \ по 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ по 10 ^ {- 27}) (9,11 \ по 10 ^ {- 31})}} ((1 \ по 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ по 10 ^ {- 61} \ текст {N}
Електростатичната сила е дадена от закона на Кулон:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ по 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ по 10 ^ {- 19}) } {(1 \ по 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ по 10 ^ {- 22} \ текст {N}
Електростатичната сила между протона и електрона е повече от 1039 пъти по-голяма от гравитационната сила!