Električni naboj osnovno je fizikalno svojstvo materije, a posebno protona i elektrona subatomskih čestica. Baš kao što atomi imaju masu, ove čestice imaju naboj i s tim nabojem postoji električna sila i električno polje.
Svojstva električnog naboja
Električno punjenje dolazi u dvije varijante:pozitivni naboj i negativni naboj, koji, kao što im imena govore, imaju suprotne znakove (za razliku od mase koja ima samo jednu sortu). Predmeti s električnim nabojem vrše električnu silu jedni na druge, baš kao što to čine i objekti s masom pomoću gravitacijske sile. Ali umjesto da uvijek budu privlačna sila, kao kod mase, suprotni se naboji privlače dok se isti naboji odbijaju.
SI jedinica naboja je kulon (C). Jedan kulon definiran je kao količina naboja koji se u jednoj sekundi može prenijeti jednim amperom električne struje. Osnovni nosači naboja su proton sa nabojem+ ei elektron, s nabojem-e, gdje je osnovni naboje = 1.602 × 10-19 C.
Neto naboj na objektu je broj protonaNstrminus broj elektronaNeputae:
\ text {neto naplata} = (N_p - N_e) e
Većina atoma je električki neutralna, što znači da imaju jednak broj protona i elektrona, pa je njihov neto naboj 0 C. Ako atom dobije ili izgubi elektrone, naziva se ionom i imat će neto nula naboj. Objekti s neto nabojem pokazuju statički elektricitet i kao rezultat toga mogu se prilijepiti silom koja ovisi o količini naboja.
Imajte na umu da ovaj prijenos elektrona između atoma ili između predmeta također ne rezultira značajnom promjenom mase predmeta. To je zato što, dok protoni i elektroni imaju jednaku veličinu naboja, oni imaju vrlo različite mase. Masa elektrona je 9,11 × 10-31 kg dok je masa protona 1,67 × 10-27 kg Proton je više od 1.000 puta teži od elektrona!
Coulomb-ov zakon: Formula
Coulomb-ov zakon daje elektrostatičku siluFizmeđu dva punjenja,q1iq2udaljenostrodvojeno:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Gdjekje Coulomova konstanta = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Imajte na umu da je ova sila avektor,koja pokazuje duž crte usmjerene od druge čestice ako su naboji jednaki i prema drugoj čestici ako su naboji suprotni.
Coulomb-ov zakon, baš kao i sila gravitacije između dviju masa, inverzni je kvadratni zakon. To znači da se smanjuje kao obrnuti kvadrat udaljenosti između dva naboja. Drugim riječima, naboji koji su dvostruko udaljeniji imaju četvrtinu snage. Ali dok se ovaj naboj smanjuje s udaljenošću, nikada ne ide na nulu i tako ima beskonačan domet.
Primjeri za proučavanje
Primjer 1:Naboj od +2ea naboj od -4eodvojeni su razmakom od 0,25 cm. Kolika je veličina Coulomove sile između njih?
Koristeći Coulombov zakon i ako pretvorite cm u m, dobit ćete:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ puta10 ^ 9) \ frac {(2 \ puta 1,602 \ puta10 ^ {- 19}) (- 4 \ puta 1,602 \ puta 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ puta 10 ^ {- 22} \ text {N}
Primjer 2:Pretpostavimo da su elektron i proton odvojeni udaljenostom od 1 mm. Kako se gravitacijska sila između njih uspoređuje s elektrostatičkom silom?
Gravitacijska sila može se izračunati iz jednadžbe:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Gdje je gravitacijska konstantaG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Priključivanje brojeva daje:
F_ {grav} = (6,67 \ puta 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ puta 10 ^ {- 27}) (9,11 \ puta 10 ^ {- 31})}} ((1 \ puta 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ puta 10 ^ {- 61} \ tekst {N}
Elektrostatička sila dana je Coulombovim zakonom:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ puta10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ puta 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ puta 10 ^ {- 19}) } {(1 \ puta 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ puta 10 ^ {- 22} \ text {N}
Elektrostatička sila između protona i elektrona veća je od 1039 puta veća od gravitacijske sile!