Elektrisk ladning er en grundlæggende fysisk egenskab af stof og især de subatomære partikler protoner og elektroner. Ligesom atomer har masse, har disse partikler ladning, og der er en elektrisk kraft og elektrisk felt forbundet med denne ladning.
Egenskaber ved elektrisk opladning
Elektrisk opladning findes i to varianter:positiv ladning og negativ ladning, som, som deres navne antyder, har modsatte tegn (i modsætning til masse, som kun har en sort). Objekter med elektrisk ladning udøver en elektrisk kraft på hinanden, ligesom genstande med masse gør via tyngdekraften. Men i stedet for altid at være en tiltrækkende kraft, som med masse, tiltrækker modsatte ladninger, mens lignende ladninger frastøder.
SI-ladningsenheden er coulomb (C). En coulomb defineres som den mængde ladning, der kan overføres af en ampere elektrisk strøm på et sekund. De grundlæggende ladebærere er protonen med ladning+ eog elektronen med opladning-e, hvor den grundlæggende afgifte = 1.602 × 10-19 C.
Nettoladningen på et objekt er antallet af protonerNsminus antallet af elektronerNegangee:
\ text {net charge} = (N_p - N_e) e
De fleste atomer er elektrisk neutrale, hvilket betyder at de har lige mange protoner og elektroner, så deres nettoladning er 0 C. Hvis et atom vinder eller mister elektroner, kaldes det en ion og har en ikke-nul nettoladning. Objekter med nettoladning udviser statisk elektricitet og kan klamre sig til hinanden som et resultat med en kraft, der afhænger af mængden af opladning.
Bemærk, at denne overførsel af elektroner mellem atomer eller mellem objekter ikke også resulterer i signifikant ændring i genstandens masse. Dette skyldes, at mens protoner og elektroner har den samme ladningsstørrelse, har de meget forskellige masser. Massen af en elektron er 9,11 × 10-31 kg, mens massen af en proton er 1,67 × 10-27 kg. En proton er mere end 1.000 gange tungere end en elektron!
Coulombs lov: formel
Coulombs lov giver den elektrostatiske kraftFmellem to afgifterq1ogq2en afstandren del:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Hvorker Coulomb-konstanten = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Bemærk, at denne kraft er envektor,som peger langs en linje rettet væk fra den anden partikel, hvis ladningerne er de samme og mod den anden partikel, hvis ladningerne er modsatte.
Coulombs lov, ligesom tyngdekraften mellem to masser, er en omvendt firkantet lov. Dette betyder, at det falder som det inverse kvadrat for afstanden mellem to ladninger. Med andre ord oplever afgifter, der er dobbelt så langt fra hinanden, en fjerdedel af kraften. Men mens denne opladning aftager med afstanden, går den aldrig til nul, og det har også uendeligt rækkevidde.
Eksempler at studere
Eksempel 1:En afgift på +2eog en afgift på -4eer adskilt med en afstand på 0,25 cm. Hvad er størrelsen af Coulomb-kraften mellem dem?
Ved at bruge Coulombs lov og være sikker på at konvertere cm til m får du:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ times 1.602 \ times 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ gange 10 ^ {- 22} \ tekst {N}
Eksempel 2:Antag, at en elektron og proton er adskilt med en afstand på 1 mm. Hvordan sammenlignes tyngdekraften mellem dem med den elektrostatiske kraft?
Gravitationskraften kan beregnes ud fra ligningen:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Hvor tyngdekonstantenG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Tilslutning af tal giver:
F_ {grav} = (6.67 \ gange 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ gange 10 ^ {- 27}) (9,11 \ gange 10 ^ {- 31})} {(1 \ gange 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1.015 \ gange 10 ^ {- 61} \ tekst {N}
Den elektrostatiske kraft er givet ved Coulombs lov:
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 \ gange 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ gange 10 ^ {- 22} \ text {N}
Den elektrostatiske kraft mellem protonen og elektronen er mere end 1039 gange større end tyngdekraften!