Подобно на зарядите се отблъскват и противоположните заряди се привличат, но колко голяма е тази сила на привличане? Точно както имате уравнение за изчисляване на силата на гравитацията между две маси, има и формула за определяне на електрическата сила между два заряда.
Единицата за електрически заряд SI е Coulomb (C), а основните носители на заряд са протонът със заряд+ ди електронът със заряд-е, където елементарният зарядд = 1.602× 10-19 ° С. Поради това зарядът на обекта понякога се представя като кратно над.
Законът на Кулон
Законът на Кулон, кръстен на френския физик Шарл-Августин дьо Кулон, дава електрическата сила между две точкови зарядиq1иq2разстояние на разделянеrосвен като:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Където константатаке константата на Кулон,к = 8.99 × 109 Нм2/° С2.
SI единицата за електрическа сила е Нютон (N), точно както е при всички сили. Посоката на вектора на силата е към другия заряд (привлекателен) за противоположни заряди и далеч от другия заряд (отблъскващ), ако зарядите са еднакви.
Законът на Кулон, точно както силата на гравитацията между две маси, езакон на обратния квадрат. Това означава, че тя намалява като обратен квадрат на разстоянието между два заряда. С други думи, зарядите, които са два пъти по-далеч един от друг, изпитват една четвърт от силата. Но докато този заряд намалява с разстоянието, той никога не отива на нула и така има безкраен обхват.
За да намерите силата върху даден заряд поради множество други заряди, използвате закона на Кулон, за да определите силата върху заряд, дължащ се на всеки от другите заряди поотделно и след това добавяте векторната сума на силите, за да получите окончателното резултат.
Защо законът на Кулон е важен?
Статично електричество:Законът на Кулон е причината да се шокирате, когато докоснете дръжка на вратата, след като преминете през килима.
Когато търкате краката си по килима, електроните се прехвърлят чрез триене, оставяйки ви с нетен заряд. Всички излишни такси върху вас се отблъскват. Докато ръката ви посяга към дръжката на вратата, проводник, този излишен заряд прави скок, предизвиквайки шок!
Електрическата сила е много по-мощна от гравитацията:Въпреки че има много прилики между електрическата сила и гравитационната сила, електрическата сила има относителна сила 1036 пъти по-голяма от тази на гравитационната сила!
Гравитацията ни се струва голяма само защото земята, на която сме залепени, е толкова голяма и повечето елементи са електрически неутрални, което означава, че имат еднакъв брой протони и електрони.
Вътрешни атоми:Законът на Кулон също е от значение за взаимодействията между атомните ядра. Две положително заредени ядра ще се отблъскват взаимно поради кулоновската сила, освен ако не са достатъчно близо силната ядрена сила (която кара протоните да се привличат вместо това, но действа само в много кратък диапазон) печели навън.
Ето защо е необходима висока енергия, за да могат ядрата да се слеят: първоначалните сили на отблъскване трябва да бъдат преодолени. Електростатичната сила е и причината електроните да бъдат привлечени към атомните ядра на първо място и затова повечето елементи са електрически неутрални.
Поляризация:Зареденият обект, когато се доближи до неутралния обект, кара електронните облаци около атомите в неутралния обект да се преразпределят. Това явление се наричаполяризация.
Ако зареденият обект е бил отрицателно зареден, електронните облаци се избутват в далечната страна на атоми, причинявайки положителните заряди в атомите да са малко по-близо от отрицателните заряди в атом. (Обратното се случва, ако се доближи позитивно зареден обект.)
Законът на Кулон ни казва, че силата на привличане между отрицателно заредения обект и положителните заряди в неутралния обект ще бъде малко по-силна от отблъскващата сила между отрицателно заредения обект и неутралния обект поради относителните разстояния между такси.
В резултат на това, въпреки че един обект е технически неутрален, пак ще има привличане. Ето защо зареден балон се придържа към неутрална стена!
Примери за изучаване
Пример 1:Заряд от +2ди заряд от -2дса разделени на разстояние 0,5 cm. Каква е величината на кулоновската сила между тях?
Използвайки закона на Кулон и като бъдете сигурни, че преобразувате cm в m, получавате:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ по 10 ^ 9) \ frac {(2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (- 2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19 })} {0,005 ^ 2} = -3,69 \ по 10 ^ {- 23} \ текст {N}
Отрицателният знак показва, че това е привлекателна сила.
Пример 2:Три заряда седят в върховете на равностранен триъгълник. В долния ляв връх има -4дзареждане. В долния десен връх има +2дзаряд, а в горния връх е +3дзареждане. Ако страните на триъгълника са 0,8 mm, каква е нетната сила върху +3дзареждане?
За да решите, трябва да определите величината и посоката на силите, дължащи се на всеки заряд поотделно, и след това да използвате добавяне на вектор, за да намерите крайния резултат.
Сила между -4ди +3дзареждане:
Големината на тази сила се дава от:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ по 10 ^ 9) \ frac {(- 4 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19 })} {0,0008 ^ 2} = -4,33 \ по 10 ^ {- 21} \ текст {N}
Тъй като тези заряди имат противоположни знаци, това е привлекателна сила и тя сочи по лявата страна на триъгълника към -4дзареждане.
Силата между +2ди +3дзареждане:
Големината на тази сила се дава от:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ по 10 ^ 9) \ frac {(2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19} )} {0,0008 ^ 2} = 2,16 \ по 10 ^ {- 21} \ текст {N}
Тъй като тези заряди имат един и същ знак, това е отблъскваща сила и сочи директно от +2дзареждане.
Ако приемете стандартна координатна система и разбиете всеки вектор на сила на компоненти, ще получите:
Добавянехиукомпоненти дава:
След това използвате теоремата на Питагор, за да намерите величината на силата:
F_ {мрежа} = \ sqrt {(- 3.245 \ по 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1.88 \ по 10 ^ {- 21}) ^ 2} = 3.75 \ по 10 ^ {- 21} \ текст { Н}
И тригонометрията ви дава посоката:
\ theta = \ tan ^ {- 1} \ frac {F_ {nety}} {F_ {netx}} = \ tan ^ {- 1} \ frac {(- 1,88 \ по 10 ^ {- 21})}} ( -3,245 \ по 10 ^ {- 21})} = 30
Посоката е 30 градуса под отрицателнатахос (или 30 градуса под хоризонталата вляво.)