Elektrische Ladung ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft der Materie und insbesondere der subatomaren Teilchen Protonen und Elektronen. So wie Atome eine Masse haben, haben diese Teilchen eine Ladung, und mit dieser Ladung ist eine elektrische Kraft und ein elektrisches Feld verbunden.
Eigenschaften der elektrischen Ladung
Elektrische Ladung gibt es in zwei Varianten:positive Ladung und negative Ladung, die, wie ihr Name vermuten lässt, entgegengesetzte Vorzeichen haben (im Gegensatz zu Masse, die nur eine Sorte hat). Gegenstände mit elektrischer Ladung üben eine elektrische Kraft aufeinander aus, ebenso wie Gegenstände mit Masse über die Gravitationskraft. Aber anstatt immer eine anziehende Kraft zu sein, wie bei der Masse, ziehen sich entgegengesetzte Ladungen an, während sich gleiche Ladungen abstoßen.
Die SI-Einheit der Ladung ist Coulomb (C). Ein Coulomb ist definiert als die Ladungsmenge, die von einem Ampere elektrischem Strom in einer Sekunde übertragen werden kann. Die fundamentalen Ladungsträger sind das Proton mit Ladung
+e, und das Elektron mit Ladung-e, wobei die Elementarladunge = 1.602 × 10-19 C.Die Nettoladung eines Objekts ist die Anzahl der ProtonenNeinpminus der Anzahl der ElektronenNeinemale:
\text{Nettoladung} = (N_p - N_e) e
Die meisten Atome sind elektrisch neutral, das heißt, sie haben die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, sodass ihre Nettoladung 0 C beträgt. Wenn ein Atom Elektronen aufnimmt oder verliert, wird es als Ion bezeichnet und hat eine Nettoladung ungleich Null. Objekte mit Nettoladung weisen statische Elektrizität auf und können dadurch mit einer von der Ladungsmenge abhängigen Kraft aneinander haften.
Beachten Sie, dass dieser Elektronentransfer zwischen Atomen oder zwischen Objekten nicht auch zu einer signifikanten Änderung der Masse der Objekte führt. Dies liegt daran, dass Protonen und Elektronen zwar die gleiche Ladungsgröße haben, aber sehr unterschiedliche Massen haben. Die Masse eines Elektrons beträgt 9,11 × 10-31 kg, während die Masse eines Protons 1,67 × 10. beträgt-27 kg. Ein Proton ist mehr als 1.000 Mal schwerer als ein Elektron!
Coulombsches Gesetz: Formel
Das Coulombsche Gesetz gibt die elektrostatische KraftFzwischen zwei Ladungen,q1undq2ein Abstandrein Teil:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
Wokist die Coulomb-Konstante = 8,99 × 109 Nm2/C2.
Beachten Sie, dass diese Kraft aVektor,die bei gleichen Ladungen entlang einer Linie zeigt, die vom anderen Teilchen weg und bei entgegengesetzten Ladungen auf das andere Teilchen gerichtet ist.
Das Coulomb-Gesetz ist genau wie die Schwerkraft zwischen zwei Massen ein inverses Quadratgesetz. Dies bedeutet, dass sie mit dem inversen Quadrat des Abstands zwischen zwei Ladungen abnimmt. Mit anderen Worten, doppelt so weit auseinander liegende Ladungen erfahren ein Viertel der Kraft. Aber während diese Ladung mit der Entfernung abnimmt, geht sie nie auf Null und hat daher eine unendliche Reichweite.
Beispiele zum Studieren
Beispiel 1:Eine Ladung von +2eund eine Gebühr von -4esind durch einen Abstand von 0,25 cm getrennt. Wie groß ist die Coulomb-Kraft zwischen ihnen?
Wenn Sie das Coulomb-Gesetz verwenden und cm in m umrechnen, erhalten Sie:
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\times 10^{-22}\text{N}
Beispiel 2:Angenommen, ein Elektron und ein Proton sind 1 mm voneinander entfernt. Wie verhält sich die Gravitationskraft zwischen ihnen zur elektrostatischen Kraft?
Die Gravitationskraft lässt sich aus der Gleichung berechnen:
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
Wobei die GravitationskonstanteG = 6.67 × 10-11 ich3/kgs2.
Das Einfügen von Zahlen ergibt:
F_{Grav} = (6,67\times 10^{-11})\frac{(1,67\times 10^{-27})(9.11\times 10^{-31})}{(1\times 10^{ -3})^2} = 1.015\times 10^{-61}\text{ N}
Die elektrostatische Kraft ist durch das Coulombsche Gesetz gegeben:
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\mal 10^{-3})^2} = 2,307\mal 10^{-22}\text{ N}
Die elektrostatische Kraft zwischen Proton und Elektron beträgt mehr als 1039 mal größer als die Gravitationskraft!
