מטען חשמלי הוא מאפיין פיזי בסיסי של החומר ובפרט החלקיקים התת אטומיים פרוטונים ואלקטרונים. כמו שלאטומים יש מסה, לחלקיקים האלה יש מטען, ויש כוח חשמלי ושדה חשמלי הקשורים למטען זה.
מאפייני מטען חשמלי
מטען חשמלי מגיע בשני סוגים:מטען חיובי ומטען שלילי, שכמו שמציעים שמותיהם, יש להם סימנים מנוגדים (בניגוד למסה, שיש לה רק מגוון אחד). עצמים עם מטען חשמלי מפעילים כוח חשמלי זה על זה, בדיוק כפי שחפצים עם מסה עושים באמצעות כוח הכבידה. אבל במקום להיות תמיד כוח אטרקטיבי, כמו במסה, מטענים מנוגדים מושכים ואילו מטענים דוחים.
יחידת המטען SI היא הקולומב (C). קולומב אחד מוגדר ככמות המטען שניתן להעביר על ידי אמפר זרם חשמלי אחד בשנייה אחת. נושאי המטען הבסיסיים הם הפרוטון, עם המטען+ ה, והאלקטרון, עם מטען-ה, שם המטען היסודיה = 1.602 × 10-19 ג.
המטען נטו על אובייקט הוא מספר הפרוטוניםנעמ 'מינוס מספר האלקטרוניםנהפִּיה:
\ text {נטו תשלום} = (N_p - N_e) ה
רוב האטומים הם ניטרלים חשמלית, כלומר יש להם מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים, כך שהמטען הנקי שלהם הוא 0 צ. אם אטום צובר או מאבד אלקטרונים, זה נקרא יון ויהיה לו מטען נטו שאינו אפס. אובייקטים עם מטען נטו מציגים חשמל סטטי ויכולים להיצמד זה לזה כתוצאה מכוח תלוי בכמות המטען.
שימו לב שהעברת אלקטרונים זו בין אטומים או בין עצמים אינה גורמת גם לשינוי משמעותי במסת האובייקטים. הסיבה לכך היא שלמרות שפרוטונים ואלקטרונים הם בעלי אותו גודל מטען, יש להם מסות שונות מאוד. המסה של אלקטרון היא 9.11 × 10-31 ק"ג ואילו המסה של פרוטון היא 1.67 × 10-27 ק"ג. פרוטון כבד פי אלף מאלקטרון!
חוק קולומב: פורמולה
חוק קולומב נותן את הכוח האלקטרוסטטיFבין שני אישומים,ש1וש2מרחקרמלבד:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
איפהkהוא קבוע הקולומב = 8.99 × 109 Nm2/ ג2.
שים לב שכוח זה הוא אוֶקטוֹר,שמצביע לאורך קו שמופנה מהחלקיק האחר אם המטענים זהים ולעבר החלקיק השני אם המטענים מנוגדים.
חוק קולומב, ממש כמו כוח הכבידה בין שתי מסות, הוא חוק ריבועי הפוך. משמעות הדבר היא שהיא פוחתת בריבוע ההפוך של המרחק בין שתי מטענים. במילים אחרות, מטענים המרוחקים כפליים זה מזה חווים רבע מהכוח. אך בעוד שהמטען הזה פוחת עם המרחק, הוא אף פעם לא הולך לאפס וכך גם הטווח האינסופי.
דוגמאות ללימוד
דוגמה 1:חיוב של +2הוחיוב של -4המופרדים על ידי מרחק של 0.25 ס"מ. מה גודל כוח הקולומב ביניהם?
באמצעות החוק של קולומב, והקפדה להמיר ס"מ ל- m, אתה מקבל:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ times 1.602 \ times 10 ^ {- 19 })} {0.0025 ^ 2} = 2.95 \ פעמים 10 ^ {- 22} \ טקסט {N}
דוגמה 2:נניח שאלקטרון ופרוטון מופרדים על ידי מרחק של 1 מ"מ. איך כוח הכבידה ביניהם משתווה לכוח האלקטרוסטטי?
ניתן לחשב את כוח הכבידה מתוך המשוואה:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
איפה קבוע הכבידהז = 6.67 × 10-11 M3/kgs2.
חיבור מספרים נותן:
F_ {grav} = (6.67 \ times 10 ^ {- 11}) \ frac {(1.67 \ times 10 ^ {- 27}) (9.11 \ times 10 ^ {- 31})} {(1 \ times 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1.015 \ פעמים 10 ^ {- 61} \ טקסט {N}
הכוח האלקטרוסטטי ניתן על פי חוק קולומב:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times10 ^ 9) \ frac {(1.602 \ times 10 ^ {- 19}) (- 1.602 \ times 10 ^ {- 19}) } {(1 \ פעמים 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ פעמים 10 ^ {- 22} \ text {N}
הכוח האלקטרוסטטי בין הפרוטון לאלקטרון הוא יותר מ -1039 פעמים גדול מכוח הכבידה!
