ისევე როგორც მუხტები მოგერიება და საწინააღმდეგო მუხტები იზიდავს, მაგრამ რამდენად დიდია მიზიდულობის ეს ძალა? როგორც თქვენ გაქვთ განტოლება ორ მასას შორის სიმძიმის ძალის გამოსათვლელად, ასევე არსებობს ელექტრული ძალის განსაზღვრის ფორმულა ორ მუხტს შორის.
SI ელექტრო მუხტის ერთეული არის კულონი (C) და ძირითადი მუხტის მატარებლები არიან პროტონი, მუხტით+ ედა ელექტრონი, მუხტით-ე, სადაც ელემენტარული მუხტიე = 1.602× 10-19 გ. ამის გამო, ობიექტის მუხტი ზოგჯერ წარმოდგენილია როგორც ჯერადიე.
კულონის კანონი
კულონის კანონი, ფრანგი ფიზიკოსის ჩარლზ-ავგუსტინ დე კულონის სახელით, აძლევს ელექტრულ ძალას ორ წერტილიან მუხტსq1დაq2გამოყოფის მანძილირგარდა, როგორც:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
სადაც მუდმივიკკულონის მუდმივია,კ = 8.99 × 109 ნმ2/ გ2.
ელექტრული ძალის SI ერთეული არის ნიუტონი (N), ისევე როგორც ეს არის ყველა ძალისთვის. ძალის ვექტორის მიმართულება არის სხვა მუხტისკენ (მიმზიდველი) საპირისპირო მუხტებისთვის და დაშორებულია სხვა მუხტისგან (მოგერიება), თუ მუხტები იგივეა.
კულონის კანონი, ისევე როგორც სიმძიმის ძალა ორ მასას შორის, არის
შებრუნებული კვადრატული კანონი. ეს ნიშნავს, რომ ის მცირდება ორ მუხტს შორის მანძილის შებრუნებული კვადრატის გამო. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ორჯერ დაშორებული მუხტი განიცდის ძალის მეოთხედს. მიუხედავად იმისა, რომ ეს მუხტი მანძილთან ერთად მცირდება, ის არასოდეს მიდის ნულზე და ასე აქვს უსასრულო დიაპაზონი.იმისათვის, რომ იპოვოთ ძალა მოცემულ მუხტზე მრავალი სხვა მუხტის გამო, თქვენ იყენებთ კულონის კანონს, რომ განისაზღვროს ძალა თითოეული სხვა მუხტის ინდივიდუალურად დატენვა, შემდეგ კი დაამატეთ ძალების ვექტორულ ჯამს საბოლოო მიღებისთვის შედეგი
რატომ არის კულონის კანონი მნიშვნელოვანი?
Სტატიკური ელექტროენერგია:კულონის კანონია იმის მიზეზი, რომ შოკირებული ხარ ხალიჩის გავლის შემდეგ კარის ღილაკს შეხებისას.
როდესაც ფეხებს ხალიჩას გადააჭარბებთ, ელექტრონები ხახუნის საშუალებით გადადიან, რის შედეგადაც თქვენ დატვირთავთ. თქვენზე გადაჭარბებული გადასახადი ერთმანეთს მოგერიდებათ. ხელი რომ მიწვდება კარის სახელურს, გამტარს, ზედმეტი მუხტი ახტება და იწვევს შოკს!
ელექტრული ძალა ბევრად უფრო ძლიერია, ვიდრე სიმძიმე:მიუხედავად იმისა, რომ ბევრი მსგავსებაა ელექტრულ ძალასა და გრავიტაციულ ძალას შორის, ელექტრული ძალა აქვს ფარდობით ძალას 1036 რამდენჯერმე მიზიდულობის ძალაზე!
გრავიტაცია მხოლოდ იმიტომ გვეჩვენება, რომ დედამიწა, რომელთანაც ჩვენ დავრჩით, იმდენად დიდია და ნივთების უმეტესობა ელექტრონულად ნეიტრალურია, ანუ მათ აქვთ პროტონისა და ელექტრონის იგივე რაოდენობა.
ატომების შიგნით:კულონის კანონი ასევე მნიშვნელოვანია ატომურ ბირთვებს შორის ურთიერთქმედებისათვის. დადებითად დამუხტული ორი ბირთვი კულონის ძალის გამო მოგერიდებათ ერთმანეთზე, თუ ისინი საკმარისად ახლოს არ არიან ძლიერი ბირთვული ძალა (რაც იწვევს პროტონის მოზიდვას სამაგიეროდ, მაგრამ მოქმედებს მხოლოდ ძალიან მოკლე დიაპაზონში) გარეთ
ამიტომ საჭიროა მაღალი ენერგია ბირთვების შერწყმისთვის: საწყისი მოგერიებითი ძალები უნდა დაიძლიოს. ელექტროსტატიკური ძალა ასევე არის მიზეზი, რომ ელექტრონები პირველ რიგში იზიდავს ატომურ ბირთვებს და ამიტომ ნივთების უმეტესობა ელექტრონულად ნეიტრალურია.
პოლარიზაცია:დამუხტული ობიექტი, როდესაც ნეიტრალურ ობიექტს მიუახლოვდება, იწვევს ელექტრონულ ღრუბლებს ნეიტრალურ ობიექტში ატომების გარშემო, გადანაწილება. ამ ფენომენს ეწოდებაპოლარიზაცია.
თუ დამუხტული ობიექტი უარყოფითად იყო დამუხტული, ელექტრონული ღრუბლები მიედინება შორეული მხარისკენ ატომები, რის შედეგადაც ატომებში დადებითი მუხტები ოდნავ უფრო ახლოსაა, ვიდრე უარყოფითი მუხტები ატომი. (პირიქით ხდება, თუ ეს არის პოზიტიურად დამუხტული ობიექტი, რომელიც მიუახლოვდება.)
კულონის კანონი გვეუბნება, რომ უარყოფითად დამუხტულ ობიექტსა და ნეიტრალურ ობიექტში დადებით მუხტებს შორის მიზიდულობის ძალა იქნება უარყოფითად დამუხტულ ობიექტსა და ნეიტრალურ ობიექტს შორის მოგერიების ძალაზე ოდნავ უფრო ძლიერია, შორის არსებული ფარდობითი მანძილის გამო ბრალდება.
შედეგად, მიუხედავად იმისა, რომ ერთი ობიექტი ტექნიკურად ნეიტრალურია, მაინც იქნება მოზიდვა. სწორედ ამიტომ, დამუხტული ბუშტი ნეიტრალურ კედელს ეწება!
შესასწავლი მაგალითები
მაგალითი 1:გადასახადი +2ედა მუხტი -2ეგამოყოფილია 0,5 სმ მანძილით. რა არის კულონის ძალის სიდიდე მათ შორის?
კულონის კანონის გამოყენებით და დარწმუნებული ხართ რომ სმ-ს გადააქცევთ მ-ზე, მიიღებთ:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ ჯერ 10 ^ 9) \ frac {(2 \ ჯერ 1.602 \ ჯერ 10 ^ {- 19}) (- 2 \ ჯერ 1.602 \ ჯერ 10 ^ {- 19 })} {0.005 ^ 2} = -3.69 \ ჯერ 10 ^ {- 23} \ ტექსტი {N}
უარყოფითი ნიშანი მიუთითებს, რომ ეს არის მიმზიდველი ძალა.
მაგალითი 2:ტოლგვერდა სამკუთხედის წვერებზე სამი მუხტი ზის. მარცხენა ქვედა წვერზე არის -4ემუხტი. ქვედა ქვედა წვერზე არის +2ემუხტი, ხოლო ზედა წვერზე არის +3ემუხტი. თუ სამკუთხედის გვერდებია 0,8 მმ, რა არის წმინდა ძალა +3-ზეებრალი?
გადასაჭრელად თქვენ უნდა განსაზღვროთ ძალების სიდიდე და მიმართულება თითოეული მუხტის ინდივიდუალურად და შემდეგ გამოიყენოთ ვექტორული დამატება, რომ იპოვოთ საბოლოო შედეგი.
ძალა -4-ს შორისედა +3ებრალი:
ამ ძალის სიდიდეს იძლევა:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ ჯერ 10 ^ 9) \ frac {(- 4 \ ჯერ 1.602 \ ჯერ 10 ^ {- 19}) (3 \ ჯერ 1.602 \ ჯერ 10 ^ {- 19 })} {0.0008 ^ 2} = -4,33 \ ჯერ 10 ^ {- 21} \ ტექსტი {N}
ვინაიდან ამ მუხტებს საპირისპირო ნიშნები აქვთ, ეს მიმზიდველი ძალაა და იგი სამკუთხედის მარცხენა მხარეს გასწვრივ მიემართება -4-ისკენემუხტი.
ძალა +2-ს შორისედა +3ებრალი:
ამ ძალის სიდიდეს იძლევა:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ ჯერ 10 ^ 9) \ frac {(2 \ ჯერ 1.602 \ ჯერ 10 ^ {- 19}) (3 \ ჯერ 1.602 \ ჯერ 10 ^ {- 19} )} {0.0008 ^ 2} = 2.16 \ ჯერ 10 ^ {- 21} \ ტექსტი {N}
მას შემდეგ, რაც ამ მუხტებს იგივე ნიშანი აქვთ, ეს არის მოგერიება და პირდაპირ მიემართება +2 – ისგანემუხტი.
თუ თქვენ მიიღებთ სტანდარტულ კოორდინატთა სისტემას და დაყოფთ თითოეული ძალის ვექტორს კომპონენტებად, მიიღებთ:
დამატებაxდაyკომპონენტები იძლევა:
შემდეგ თქვენ იყენებთ პითაგორას თეორემას, რომ იპოვოთ ძალის სიდიდე:
F_ {net} = \ sqrt {(- 3.245 \ ჯერ 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1.88 \ ჯერ 10 ^ {- 21}) ^ 2} = 3.75 \ ჯერ 10 ^ {- 21} \ ტექსტი {N}
და ტრიგონომეტრია გაძლევთ მიმართულებას:
\ theta = \ tan ^ {- 1} \ frac {F_ {nety}} {F_ {netx}} = \ tan ^ {- 1} \ frac {(- 1.88 \ ჯერ 10 ^ {- 21})}} {( -3.245 \ ჯერ 10 ^ {- 21})} = 30
მიმართულება 30 გრადუსით უარყოფითიაxღერძი (ან მარცხნივ ჰორიზონტალურიდან 30 გრადუსით ქვემოთ)