Elektrický náboj je základní fyzikální vlastností hmoty a zejména subatomárních částic protony a elektrony. Stejně jako atomy mají hmotnost, mají tyto částice náboj a s tímto nábojem je spojena elektrická síla a elektrické pole.
Vlastnosti elektrického náboje
Elektrický náboj se dodává ve dvou variantách:kladný a záporný náboj, které, jak napovídají jejich názvy, mají opačné znaky (na rozdíl od mše, která má pouze jednu odrůdu). Objekty s elektrickým nábojem na sebe vyvíjejí elektrickou sílu, stejně jako objekty s hmotou prostřednictvím gravitační síly. Ale místo toho, aby byly vždy přitažlivou silou, jako u hmoty, přitahují opačné náboje, zatímco jako odpuzují.
Jednotkou náboje SI je coulomb (C). Jeden coulomb je definován jako množství náboje, které lze přenést jedním ampérem elektrického proudu za jednu sekundu. Základními nosiči náboje jsou protony s nábojem+ ea elektron s nábojem-Ekde je základní nábojE = 1.602 × 10-19 C.
Čistý náboj na objektu je počet protonůNpminus počet elektronůNEkrátE:
\ text {net charge} = (N_p - N_e) e
Většina atomů je elektricky neutrální, což znamená, že mají stejný počet protonů a elektronů, takže jejich čistý náboj je 0 ° C. Pokud atom získá nebo ztratí elektrony, nazývá se to ion a bude mít nenulový čistý náboj. Objekty se síťovým nábojem vykazují statickou elektřinu a v důsledku toho se mohou navzájem držet silou závislou na množství náboje.
Všimněte si, že tento přenos elektronů mezi atomy nebo mezi objekty nevede také k významné změně hmotnosti objektů. Je to proto, že zatímco protony a elektrony mají stejnou velikost náboje, mají velmi odlišné hmotnosti. Hmotnost elektronu je 9,11 × 10-31 kg, zatímco hmotnost protonu je 1,67 × 10-27 kg. Proton je více než 1 000krát těžší než elektron!
Coulombův zákon: Formule
Coulombův zákon udává elektrostatickou síluFmezi dvěma poplatky,q1aq2vzdálenostrodděleně:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Kdekje Coulombova konstanta = 8,99 × 109 Nm2/C2.
Všimněte si, že tato síla je avektor,který ukazuje podél čáry směřující pryč od druhé částice, pokud jsou náboje stejné, a směrem k druhé částice, pokud jsou náboje opačné.
Coulombův zákon, stejně jako gravitační síla mezi dvěma hmotami, je zákonem inverzního čtverce. To znamená, že se zmenšuje jako inverzní čtverec vzdálenosti mezi dvěma náboji. Jinými slovy, náboje, které jsou od sebe dvakrát tak vzdálené, zažívají čtvrtinu síly. Ale zatímco se tento náboj se vzdáleností zmenšuje, nikdy nejde na nulu a má tak nekonečný rozsah.
Příklady ke studiu
Příklad 1:Poplatek +2Ea poplatek -4Ejsou odděleny vzdáleností 0,25 cm. Jaká je velikost Coulombovy síly mezi nimi?
Použitím Coulombova zákona a jistým převodem cm na m získáte:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ krát 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ krát 1,602 \ krát 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ krát 10 ^ {- 22} \ text {N}
Příklad 2:Předpokládejme, že elektron a proton jsou odděleny vzdáleností 1 mm. Jak se gravitační síla mezi nimi srovnává s elektrostatickou silou?
Gravitační sílu lze vypočítat z rovnice:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Kde gravitační konstantaG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Připojením čísel získáte:
F_ {grav} = (6,67 \ krát 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ krát 10 ^ {- 27}) (9,11 \ krát 10 ^ {- 31})}} {(1 \ krát 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ krát 10 ^ {- 61} \ text {N}
Elektrostatická síla je dána Coulombovým zákonem:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ krát10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ krát 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ krát 10 ^ {- 19}) } {(1 \ krát 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ krát 10 ^ {- 22} \ text {N}
Elektrostatická síla mezi protonem a elektronem je více než 1039 krát větší než gravitační síla!