Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μια θεμελιώδης φυσική ιδιότητα της ύλης και συγκεκριμένα, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια των υποατομικών σωματιδίων. Ακριβώς όπως τα άτομα έχουν μάζα, αυτά τα σωματίδια έχουν φορτίο, και υπάρχει μια ηλεκτρική δύναμη και ένα ηλεκτρικό πεδίο που σχετίζονται με αυτό το φορτίο.
Ιδιότητες ηλεκτρικού φορτίου
Το ηλεκτρικό φορτίο διατίθεται σε δύο ποικιλίες:θετικό φορτίο και αρνητικό φορτίο, που, όπως υποδηλώνουν τα ονόματά τους, έχουν αντίθετα σημάδια (σε αντίθεση με τη μάζα, η οποία έχει μόνο μία ποικιλία). Τα αντικείμενα με ηλεκτρικό φορτίο ασκούν ηλεκτρική δύναμη μεταξύ τους, όπως τα αντικείμενα με μάζα μέσω της βαρυτικής δύναμης. Αλλά αντί να είναι πάντα μια ελκυστική δύναμη, όπως με τη μάζα, οι αντίθετες χρεώσεις προσελκύουν, ενώ οι χρεώσεις αποκρούουν.
Η μονάδα φόρτισης SI είναι το coulomb (C). Ένα coulomb ορίζεται ως το ποσό φόρτισης που μπορεί να μεταφερθεί από ένα αμπέρ ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα δευτερόλεπτο. Οι θεμελιώδεις φορείς φορτίου είναι το πρωτόνιο, με φορτίο+ ε, και το ηλεκτρόνιο, με φόρτιση-μι, όπου η στοιχειώδης χρέωσημι = 1.602 × 10-19 ΝΤΟ.
Το καθαρό φορτίο ενός αντικειμένου είναι ο αριθμός των πρωτονίωνΝΠμείον τον αριθμό των ηλεκτρονίωνΝμιφορέςμι:
\ text {καθαρή χρέωση} = (N_p - N_e) ε
Τα περισσότερα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν ίσους αριθμούς πρωτονίων και ηλεκτρονίων, επομένως το καθαρό τους φορτίο είναι 0 C. Εάν ένα άτομο κερδίσει ή χάσει ηλεκτρόνια, ονομάζεται ιόν και θα έχει μη μηδενικό καθαρό φορτίο. Τα αντικείμενα με καθαρή φόρτιση εμφανίζουν στατικό ηλεκτρισμό και μπορούν να προσκολληθούν το ένα στο άλλο ως αποτέλεσμα με μια δύναμη που εξαρτάται από το ποσό φόρτισης.
Σημειώστε ότι αυτή η μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ ατόμων ή μεταξύ αντικειμένων δεν οδηγεί επίσης σε σημαντική αλλαγή στη μάζα των αντικειμένων. Αυτό συμβαίνει επειδή, ενώ τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια έχουν το ίδιο μέγεθος φορτίου, έχουν πολύ διαφορετικές μάζες. Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι 9,11 × 10-31 kg ενώ η μάζα ενός πρωτονίου είναι 1,67 × 10-27 κιλό. Ένα πρωτόνιο είναι περισσότερο από 1.000 φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο!
Ο νόμος του Coulomb: Formula
Ο νόμος του Coulomb δίνει την ηλεκτροστατική δύναμηφάμεταξύ δύο χρεώσεων,ε1καιε2μια απόστασηρχώρια:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Οπουκείναι η σταθερά Coulomb = 8,99 × 109 Νμ2/ΝΤΟ2.
Σημειώστε ότι αυτή η δύναμη είναιδιάνυσμα,που δείχνει κατά μήκος μιας γραμμής που κατευθύνεται μακριά από το άλλο σωματίδιο εάν τα φορτία είναι τα ίδια και προς το άλλο σωματίδιο εάν τα φορτία είναι αντίθετα.
Ο νόμος του Coulomb, όπως και η δύναμη της βαρύτητας μεταξύ δύο μαζών, είναι ένας αντίστροφος τετραγωνικός νόμος. Αυτό σημαίνει ότι μειώνεται ως το αντίστροφο τετράγωνο της απόστασης μεταξύ δύο φορτίων. Με άλλα λόγια, οι χρεώσεις που είναι δύο φορές πιο μακριά βιώνουν το ένα τέταρτο της δύναμης. Ωστόσο, ενώ αυτή η φόρτιση μειώνεται με την απόσταση, δεν φτάνει ποτέ στο μηδέν και έτσι έχει άπειρη εμβέλεια.
Παραδείγματα για μελέτη
Παράδειγμα 1:Χρέωση +2μικαι χρέωση -4μιχωρίζονται σε απόσταση 0,25 cm. Ποιο είναι το μέγεθος της δύναμης Coulomb μεταξύ τους;
Χρησιμοποιώντας τον νόμο της Coulomb και είστε βέβαιοι ότι μετατρέπετε cm σε m, λαμβάνετε:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ φορές10 ^ 9) \ frac {(2 \ φορές 1,602 \ φορές10 ^ {- 19}) (- 4 \ φορές 1,602 \ φορές 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ φορές 10 ^ {- 22} \ κείμενο {N}
Παράδειγμα 2:Ας υποθέσουμε ότι ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο διαχωρίζονται σε απόσταση 1 mm. Πώς συγκρίνεται η βαρυτική δύναμη μεταξύ τους με την ηλεκτροστατική δύναμη;
Η βαρυτική δύναμη μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Όπου η βαρυτική σταθεράσολ = 6.67 × 10-11 Μ3/kgs2.
Η σύνδεση με αριθμούς δίνει:
F_ {grav} = (6,67 \ φορές 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ φορές 10 ^ {- 27}) (9,11 \ φορές 10 ^ {- 31})} {(1 \ φορές 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ φορές 10 ^ {- 61} \ κείμενο {N}
Η ηλεκτροστατική δύναμη δίνεται από τον νόμο του Coulomb:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ φορές10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ φορές 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ φορές 10 ^ {- 19}) } {(1 \ φορές 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ φορές 10 ^ {- 22} \ κείμενο {N}
Η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου είναι μεγαλύτερη από 1039 φορές μεγαλύτερη από τη βαρυτική δύναμη!