Elektrilaeng on aine ja eelkõige subatomaarsete osakeste prootonite ja elektronide põhiline füüsikaline omadus. Nii nagu aatomitel on mass, on ka nendel osakestel laeng ning selle laenguga on seotud elektriline jõud ja elektriväli.
Elektrilaengu omadused
Elektrilaengut on kahte sorti:positiivne laeng ja negatiivne laeng, millel on sarnaselt nende nimedele vastupidised märgid (erinevalt massist, millel on ainult üks sort). Elektrilaenguga objektid avaldavad üksteisele elektrilist jõudu, nagu ka massiga objektid gravitatsioonijõu kaudu. Kuid selle asemel, et olla alati atraktiivne jõud, nagu massi puhul, tõmbavad vastupidised laengud, samal ajal kui laengud tõrjuvad.
SI laenguühik on kulon (C). Üks kulon on määratletud kui laengu suurus, mida saab ühe ampriga elektrivoolu abil ühe sekundi jooksul üle kanda. Põhilised laengukandjad on prooton koos laenguga+ eja elektron koos laenguga-e, kus elementaarlaenge = 1.602 × 10-19 C.
Objekti netolaeng on prootonite arvNlkmiinus elektronide arvNekordae:
\ text {netolaeng} = (N_p - N_e) e
Enamik aatomeid on elektriliselt neutraalsed, mis tähendab, et neil on võrdne arv prootoneid ja elektrone, seega on nende netolaeng 0 C. Kui aatom omandab või kaotab elektrone, nimetatakse seda iooniks ja sellel on nullist erinev laeng. Netolaenguga objektidel on staatiline elekter ja nad võivad tänu sellele laengu suurusest sõltuva jõuga üksteise külge klammerduda.
Pange tähele, et see elektronide ülekandmine aatomite või objektide vahel ei too kaasa olulist muutust objektide massis. Seda seetõttu, et kuigi prootonite ja elektronide laengu suurus on sama, on nende mass väga erinev. Elektroni mass on 9,11 × 10-31 kg, samas kui prootoni mass on 1,67 × 10-27 kg. Prooton on üle 1000 korra raskem kui elektron!
Coulombi seadus: valem
Coulombi seadus annab elektrostaatilise jõuFkahe tasu vahel,q1jaq2vahemaarpeale:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Kuskon Coulombi konstant = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Pange tähele, et see jõud on avektor,mis osutab mööda teist osakest eemale suunatud joont, kui laengud on samad, ja teise osakese suunas, kui laengud on vastupidised.
Coulombi seadus, täpselt nagu kahe massi vaheline raskusjõud, on pöördvõimalik ruutseadus. See tähendab, et see väheneb kahe laengu vahelise kauguse pöördväljana. Teisisõnu, laengud, mis on üksteisest kaks korda kaugemal, kogevad veerand jõudu. Kuid kuigi see laeng kaugusega väheneb, ei lähe see kunagi nulli ja nii on ka lõpmatu ulatus.
Näited uurimiseks
Näide 1:Laeng +2eja laeng -4eon eraldatud 0,25 cm kaugusega. Kui suur on nende vahel olev Coulombi jõud?
Kasutades Coulombi seadust ja teisendades cm cm-ks, saate:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ korda10 ^ 9) \ frac {(2 korda 1,602 korda10 ^ {- 19}) (- 4 korda 1,602 korda 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ korda 10 ^ {- 22} \ tekst {N}
Näide 2:Oletame, et elektron ja prooton on eraldatud 1 mm kaugusega. Kuidas on nendevahelist gravitatsioonijõudu võrrelda elektrostaatilise jõuga?
Gravitatsioonijõu saab arvutada võrrandist:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Kus gravitatsioonikonstantG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Numbrite ühendamine annab:
F_ {grav} = (6.67 \ korda 10 ^ {- 11}) \ frac {(1.67 \ korda 10 ^ {- 27}) (9.11 \ korda 10 ^ {- 31})} {(1 \ korda 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ korda 10 ^ {- 61} \ tekst {N}
Elektrostaatilise jõu annab Coulombi seadus:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ korda10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ korda 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ korda 10 ^ {- 19}) } {(1 \ korda 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ korda 10 ^ {- 22} \ tekst {N}
Elektrostaatiline jõud prootoni ja elektroni vahel on üle 1039 korda suurem kui gravitatsioonijõud!