כמו מטענים דוחים, ומטענים מנוגדים מושכים, אבל כמה גדול כוח המשיכה הזה? בדיוק כמו שיש לך משוואה לחישוב כוח הכובד בין שתי מסות, יש גם נוסחה לקביעת הכוח החשמלי בין שני מטענים.
יחידת המטען החשמלי SI היא הקולומב (C) ונושאי המטען הבסיסיים הם הפרוטון, עם המטען+ ה, והאלקטרון, עם מטען-ה, שם המטען היסודיה = 1.602× 10-19 ג. בגלל זה, מטען של אובייקט מיוצג לפעמים כמכפל שלה.
חוק קולומב
החוק של קולומב, על שמו של הפיזיקאי הצרפתי שארל אוגוסטין דה קולומב, מעניק את הכוח החשמלי בין שתי מטעני נקודה.ש1וש2מרחק הפרדהרבנפרד כמו:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
איפה הקבועkהוא קבוע של קולומב,k = 8.99 × 109 Nm2/ ג2.
יחידת ה- SI לכוח חשמלי היא הניוטון (N), בדיוק כמו בכל הכוחות. כיוון וקטור הכוח הוא לכיוון המטען האחר (מושך) עבור מטענים מנוגדים והרחק מהמטען האחר (דוחה) אם המטענים זהים.
החוק של קולומב, בדיוק כמו כוח הכבידה בין שתי מסות, הואחוק הריבוע המהופך. 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.
כדי למצוא את הכוח במטען נתון עקב מספר מטענים אחרים, אתה משתמש בחוק קולומב כדי לקבוע את הכוח על מטען עקב כל אחד מהמטענים האחרים בנפרד, ואז אתה מוסיף את סכום הווקטור של הכוחות כדי לקבל את הסופי תוֹצָאָה.
מדוע חוק קולומב חשוב?
חשמל סטטי:החוק של קולומב הוא הסיבה שאתה מזדעזע כשאתה נוגע בידית הדלת לאחר שעבר על השטיח.
כשאתה משפשף את הרגליים על השטיח, האלקטרונים עוברים באמצעות חיכוך ומשאירים אותך עם מטען נטו. כל החיובים העודפים עליכם דוחים זה את זה. כאשר היד שלך מושגת ליד ידית הדלת, מוליך, המטען העודף הזה גורם לקפיצה, גורם לזעזוע!
הכוח החשמלי חזק בהרבה מכוח המשיכה:אמנם ישנם קווי דמיון רבים בין הכוח החשמלי לכוח הכבידה, אך לכוח החשמלי יש כוח יחסי של 1036 פעמים מזה של כוח הכבידה!
כוח הכבידה נראה לנו רק גדול מכיוון שהאדמה שאנו דבוקים בה כל כך גדולה, ורוב הפריטים הם ניטרלים חשמלית, כלומר יש להם מספר זהה של פרוטונים ואלקטרונים.
בתוך אטומים:החוק של קולומב רלוונטי גם לאינטראקציות בין גרעיני האטום. שני גרעינים טעונים חיובי ידחו זה את זה בגלל כוח הקולומב אלא אם כן הם קרובים מספיק לכך הכוח הגרעיני החזק (שגורם לפרוטונים למשוך במקום זאת אך פועל רק בטווח קצר מאוד) מנצח הַחוּצָה.
זו הסיבה שיש צורך באנרגיה גבוהה כדי להתמזג גרעינים: צריך להתגבר על כוחות הדחייה הראשוניים. הכוח האלקטרוסטטי הוא גם הסיבה שבגללה מלכתחילה נמשכים האלקטרונים לגרעינים אטומיים ולכן רוב הפריטים הם ניטרלים חשמלית.
קיטוב:אובייקט טעון, כאשר הוא מתקרב לאובייקט הנייטרלי, גורם לענני האלקטרונים סביב האטומים באובייקט הנייטרלי להתפלג מחדש. תופעה זו נקראתקיטוב.
אם האובייקט הטעון היה טעון שלילית, ענני האלקטרונים נדחפים לצד הרחוק של אטומים, מה שגורם לכך שהמטענים החיוביים באטומים יהיו מעט קרובים יותר מהמטענים השליליים ב אָטוֹם. (ההפך מתרחש אם מדובר באובייקט טעון חיובי שמקרבים אותו).
חוק קולומב אומר לנו שכוח המשיכה בין האובייקט הטעון השלילית לבין המטענים החיוביים באובייקט הנייטרלי יהיה מעט חזק יותר מכוח הדחייה בין האובייקט הטעון השלילי לבין האובייקט הנייטרלי בשל המרחקים היחסיים בין חיובים.
כתוצאה מכך, למרות שאובייקט אחד הוא ניטרלי מבחינה טכנית, עדיין תהיה משיכה. זו הסיבה שבלון טעון נדבק לקיר ניטרלי!
דוגמאות ללימוד
דוגמה 1:חיוב של +2הוחיוב של -2המופרדים על ידי מרחק של 0.5 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 פעמים 10 ^ 9) \ frac {(2 \ פעמים 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (- 2 \ פעמים 1.602 \ times10 ^ {- 19 })} {0.005 ^ 2} = -3.69 \ פעמים 10 ^ {- 23} \ טקסט {N}
הסימן השלילי מעיד שמדובר בכוח מושך.
דוגמה 2:שלושה מטענים יושבים בקודקודים של משולש שווה צלעות. בקודקוד השמאלי התחתון נמצא -4הלחייב. בקודקוד הימני התחתון מופיע +2התשלום, ובקודקוד העליון הוא +3הלחייב. אם צדי המשולש הם 0.8 מ"מ, מהו הכוח נטו ב- +3הלחייב?
כדי לפתור, עליך לקבוע את גודל הכיוון וכיוון הכוחות הנובעים מכל מטען בנפרד, ואז להשתמש בתוספת וקטורית כדי למצוא את התוצאה הסופית.
כוח בין -4הו- +3הלחייב:
גודל הכוח הזה ניתן על ידי:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ פעמים 10 ^ 9) \ frac {(- 4 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19 })} {0.0008 ^ 2} = -4.33 \ פעמים 10 ^ {- 21} \ טקסט {N}
מכיוון שלמטענים אלה יש סימנים מנוגדים, זהו כוח מושך, והוא מצביע לצד שמאל של המשולש לכיוון -4הלחייב.
הכוח בין +2הו- +3הלחייב:
גודל הכוח הזה ניתן על ידי:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ פעמים 10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19} )} {0.0008 ^ 2} = 2.16 \ פעמים 10 ^ {- 21} \ טקסט {N}
מכיוון שלמטענים אלה יש אותו סימן, זהו כוח דוחה ומצביע ישירות מ -2הלחייב.
אם אתה מניח מערכת קואורדינטות סטנדרטית ושובר כל וקטור כוח לרכיבים, תקבל:
מוֹסִיףאיקסוyרכיבים נותן:
לאחר מכן אתה משתמש במשפט פיתגורס כדי למצוא את גודל הכוח:
F_ {net} = \ sqrt {(- 3.245 \ פעמים 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1.88 \ פעמים 10 ^ {- 21}) ^ 2} = 3.75 \ פעמים 10 ^ {- 21} \ טקסט {N}
וטריגונומטריה נותנת לך את הכיוון:
\ theta = \ tan ^ {- 1} \ frac {F_ {nety}} {F_ {netx}} = \ tan ^ {- 1} \ frac {(- 1.88 \ times 10 ^ {- 21})} {( -3.245 \ פעמים 10 ^ {- 21})} = 30
הכיוון הוא 30 מעלות מתחת לשלילהאיקסציר (או 30 מעלות מתחת לאופק שמאלה.)