Az elektromos töltés az anyag alapvető fizikai tulajdonsága, különösen a szubatomi részecskék, a protonok és az elektronok. Ahogy az atomok tömege, ezek a részecskék is töltéssel rendelkeznek, és ehhez a töltéshez elektromos erő és elektromos tér társul.
Az elektromos töltés tulajdonságai
Az elektromos töltés kétféle változatban kapható:pozitív töltés és negatív töltés, amelyeknek, ahogy a nevük is sugallja, ellentétes jelek vannak (ellentétben a tömeggel, amelynek csak egy fajtája van). Az elektromos töltésű tárgyak elektromos erőt gyakorolnak egymásra, mint a tömeges tárgyak a gravitációs erőn keresztül. De ahelyett, hogy mindig vonzó erő lenne, mint a tömegnél, az ellentétes töltések vonzanak, miközben a töltések taszítják.
Az SI töltés mértékegysége a coulomb (C). Az egyik coulomb az a töltésmennyiség, amelyet egy amper elektromos áram egy másodperc alatt átvihet. Az alapvető töltéshordozók a proton töltéssel+ eés az elektron töltéssel-e, ahol az elemi töltése = 1.602 × 10-19 C.
Az objektum nettó töltése a protonok számaNomínusz az elektronok számaNealkalommale:
\ text {nettó töltés} = (N_p - N_e) e
A legtöbb atom elektromosan semleges, vagyis azonos számú proton és elektron van, így nettó töltésük 0 C. Ha egy atom elektronokat nyer vagy veszít, akkor ionnak nevezzük, és nem nulla nettó töltése lesz. A nettó töltésű objektumok statikus elektromosságot mutatnak, és ennek eredményeként a töltés nagyságától függő erővel ragaszkodhatnak egymáshoz.
Ne feledje, hogy az elektronok ezen atomok közötti vagy tárgyak közötti átadása nem eredményez jelentős változást a tárgyak tömegében sem. Ennek oka, hogy míg a protonok és az elektronok töltése azonos nagyságú, tömegük nagyon eltérő. Az elektron tömege 9,11 × 10-31 kg, míg a proton tömege 1,67 × 10-27 kg. A proton több mint 1000-szer nehezebb, mint egy elektron!
Coulomb-törvény: Képlet
Coulomb törvénye adja az elektrosztatikus erőtFkét vád között,q1ésq2távolságregymástól:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Holka Coulomb-állandó = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Vegye figyelembe, hogy ez az erő avektor,amely a másik részecskétől távolabb eső vonal mentén mutat, ha a töltések azonosak, és a másik részecske felé, ha a töltések ellentétesek.
Coulomb törvénye, akárcsak a két tömeg közötti gravitációs erő, fordított négyzet törvény. Ez azt jelenti, hogy a két töltés közötti távolság fordított négyzeteként csökken. Más szavakkal, az egymástól kétszer akkora töltések az erő negyedét tapasztalják. De bár ez a töltés csökken a távolságtól, soha nem megy nullára, így a végtelen tartomány is.
Példák a tanulmányozásra
1. példa:+2 töltéseés -4 töltése0,25 cm távolság választja el egymástól. Mekkora a köztük lévő Coulomb-erő?
Coulomb törvényének felhasználásával és a cm-et m-re konvertálva a következőket kapja:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ szor10 ^ 9) \ frac {(2 \ szor 1.602 \ szor10 ^ {- 19}) (- 4 \ szor 1.602 \ szer 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 = 10 ^ {- 22} \ text {N}
2. példa:Tegyük fel, hogy az elektront és a protont 1 mm távolság választja el egymástól. Hogyan viszonyul a köztük lévő gravitációs erő az elektrosztatikus erőhöz?
A gravitációs erő kiszámítható az egyenletből:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Ahol a gravitációs állandóG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
A számok csatlakoztatása a következőket eredményezi:
F_ {grav} = (6,67 \ szor 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ szer 10 ^ {- 27}) (9,11 \ 10 ^ {- 31})}} {(1 \ szer 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ szor 10 ^ {- 61} \ text {N}
Az elektrosztatikus erőt Coulomb törvénye adja:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ alkalommal10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ 10x {- 19}) (- 1,602 \ 10x {- 19}) } {(1 \ szor 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ szor 10 ^ {- 22} \ text {N}
A proton és az elektron közötti elektrosztatikus erő meghaladja a 10-et39 szer nagyobb, mint a gravitációs erő!