Sähkövaraus on aineen ja erityisesti subatomisten hiukkasten protonien ja elektronien fyysinen perusominaisuus. Aivan kuten atomilla on massa, näillä hiukkasilla on varaus, ja tähän varaukseen liittyy sähkövoima ja sähkökenttä.
Sähkövarausominaisuudet
Sähkövarausta on kahta eri tyyppiä:positiivinen varaus ja negatiivinen varaus, jolla, kuten nimensä viittaa, on vastakkaiset merkit (toisin kuin massa, jolla on vain yksi lajike). Sähkövarauksilla varustetut esineet kohdistavat sähkövoimaa toisiinsa, aivan kuten massaiset esineet painovoiman kautta. Mutta sen sijaan, että se olisi aina houkutteleva voima, kuten massan kohdalla, vastakkaiset lataukset houkuttelevat samalla kun maksut latautuvat.
SI-varauksen yksikkö on coulomb (C). Yksi coulomb määritellään varauksen määräksi, joka voidaan siirtää yhdellä ampeerilla sähkövirtaa yhdessä sekunnissa. Perusvarauskantajat ovat protoni latauksella+ eja elektroni varauksella-e, jossa perusvarause = 1.602 × 10-19 C.
Objektin nettovaraus on protonien lukumääräNsmiinus elektronien määräNeajate:
\ text {nettomaksu} = (N_p - N_e) e
Suurin osa atomeista on sähköisesti neutraaleja, mikä tarkoittaa, että niillä on sama määrä protoneja ja elektroneja, joten niiden nettovaraus on 0 C. Jos atomi saa tai menettää elektroneja, sitä kutsutaan ioniksi ja sillä on nollatason nettovaraus. Nettovarauksilla varustetuilla esineillä on staattinen sähkö ja ne voivat tarttua toisiinsa seurauksena voimasta, joka riippuu varauksen määrästä.
Huomaa, että tämä elektronien siirto atomien välillä tai esineiden välillä ei myöskään aiheuta merkittävää muutosta esineiden massassa. Tämä johtuu siitä, että vaikka protoneilla ja elektroneilla on sama varauksen suuruus, niillä on hyvin erilaiset massat. Elektronin massa on 9,11 × 10-31 kg, kun taas protonin massa on 1,67 × 10-27 kg. Protoni on yli 1000 kertaa raskaampi kuin elektroni!
Coulombin laki: kaava
Coulombin laki antaa sähköstaattisen voimanFkahden latauksen välillä,q1jaq2etäisyysrlukuun ottamatta:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Missäkon Coulomb-vakio = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Huomaa, että tämä voima on avektori,joka osoittaa pitkin linjaa, joka on suunnattu poispäin toisesta hiukkasesta, jos varaukset ovat samat, ja kohti toista hiukkaa, jos varaukset ovat vastakkaisia.
Coulombin laki, aivan kuten kahden massan välinen painovoima, on käänteinen neliölainsäädäntö. Tämä tarkoittaa, että se pienenee kahden varauksen välisen etäisyyden käänteisenä neliönä. Toisin sanoen kaksi kertaa niin kaukana toisistaan olevat lataukset kokevat neljänneksen voimasta. Mutta vaikka tämä varaus pienenee etäisyyden myötä, se ei koskaan mene nollaan ja samalla on ääretön kantama.
Esimerkkejä tutkimiseen
Esimerkki 1:+2eja -4: n varauseerotetaan 0,25 cm: n etäisyydellä. Mikä on niiden välisen Coulomb-voiman suuruus?
Käyttämällä Coulombin lakia ja muuntamalla cm m: ksi, saat:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ kertaa10 ^ 9) \ frac {(2 kertaa 1,602 kertaa10 ^ {- 19}) (- 4 kertaa 1,602 kertaa 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ kertaa 10 ^ {- 22} \ teksti {N}
Esimerkki 2:Oletetaan, että elektroni ja protoni erotetaan 1 mm: n etäisyydellä. Kuinka niiden välinen painovoima vertaa sähköstaattiseen voimaan?
Painovoima voidaan laskea yhtälöstä:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Missä painovoiman vakioG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Numeroiden liittäminen antaa:
F_ {grav} = (6.67 \ kertaa 10 ^ {- 11}) \ frac {(1.67 \ kertaa 10 ^ {- 27}) (9.11 \ kertaa 10 ^ {- 31})} {(1 \ kertaa 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ kertaa 10 ^ {- 61} \ teksti {N}
Sähköstaattinen voima annetaan Coulombin lailla:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ kertaa10 ^ 9) \ frac {(1.602 \ kertaa 10 ^ {- 19}) (- 1.602 \ kertaa 10 ^ {- 19}) } {(1 \ kertaa 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ kertaa 10 ^ {- 22} \ teksti {N}
Prostaatin ja elektronin välinen sähköstaattinen voima on yli 1039 kertaa suurempi kuin painovoima!