Elektrinis krūvis yra pagrindinė fizinė materijos savybė, ypač subatominių dalelių protonai ir elektronai. Kaip ir atomai turi masę, šios dalelės turi krūvį, o su šiuo krūviu yra susijusi elektros jėga ir elektrinis laukas.
Elektrinio įkrovimo savybės
Elektrinis įkrovimas yra dviejų rūšių:teigiamas ir neigiamas, kurie, kaip rodo jų pavadinimai, turi priešingus ženklus (skirtingai nei masė, turinti tik vieną veislę). Objektai, turintys elektrinį krūvį, vienas kitam daro elektrinę jėgą, kaip ir masės objektai per gravitacinę jėgą. Tačiau užuot visada buvę patraukli jėga, kaip ir masės atveju, priešingi krūviai traukia, o kaip krūviai atbaido.
SI įkrovos vienetas yra kulona (C). Vienas kulonas apibrėžiamas kaip įkrovos dydis, kurį per vieną sekundę gali perduoti viena elektros srovė. Pagrindiniai krūvininkai yra protonas su krūviu+ eir elektronas su įkrova-e, kur elementarusis krūvise = 1.602 × 10-19 C.
Grynasis objekto krūvis yra protonų skaičiusNpatėmus elektronų skaičiųNelaikaie:
\ text {neto mokestis} = (N_p - N_e) e
Dauguma atomų yra elektriškai neutralūs, vadinasi, jie turi vienodą protonų ir elektronų skaičių, todėl jų grynasis krūvis yra 0 C. Jei atomas įgyja ar praranda elektronus, jis vadinamas jonu ir turės nulinį grynąjį krūvį. Objektai, turintys grynąjį krūvį, demonstruoja statinę elektrą ir dėl to gali prilipti prie jėgos, priklausančios nuo įkrovos dydžio.
Atkreipkite dėmesį, kad šis elektronų perdavimas tarp atomų ar tarp objektų taip pat reikšmingai nekeičia objektų masės. Taip yra todėl, kad nors protonų ir elektronų krūvio dydis yra vienodas, jų masės yra labai skirtingos. Elektrono masė yra 9,11 × 10-31 kg, o protono masė yra 1,67 × 10-27 kilogramas. Protonas yra daugiau nei 1000 kartų sunkesnis už elektroną!
Kulono dėsnis: formulė
Kulono dėsnis suteikia elektrostatinę jėgąFtarp dviejų mokesčių,q1irq2atstumasrišskyrus:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Kurkyra Kulono konstanta = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Atkreipkite dėmesį, kad ši jėga yra avektorius,kuris nukreiptas išilgai linijos, nukreiptos nuo kitos dalelės, jei krūviai yra vienodi, ir link kitos dalelės, jei krūviai yra priešingi.
Coulombo dėsnis, kaip ir gravitacijos jėga tarp dviejų masių, yra atvirkštinis kvadratinis dėsnis. Tai reiškia, kad jis mažėja kaip atvirkštinis atstumo tarp dviejų krūvių kvadratas. Kitaip tariant, dvigubai tolimesni krūviai patiria ketvirtadalį jėgos. Tačiau nors šis krūvis mažėja bėgant atstumu, jis niekada nenusileidžia nuliui ir turi begalinį diapazoną.
Studijų pavyzdžiai
1 pavyzdys:+2 mokestiseir mokestis -4eyra atskirti 0,25 cm atstumu. Koks yra Kulono jėga tarp jų?
Naudodamiesi Kulono dėsniu ir būtinai konvertuodami cm į m, gausite:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ kartus10 ^ 9) \ frac {(2 kartus 1,602 kartus10 ^ {- 19}) (- 4 kartus 1,602 kartus 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ kartus 10 ^ {- 22} \ tekstas {N}
2 pavyzdys:Tarkime, elektroną ir protoną skiria 1 mm atstumas. Kaip gravitacijos jėga tarp jų lyginama su elektrostatine jėga?
Gravitacinę jėgą galima apskaičiuoti iš lygties:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Kur gravitacinė konstantaG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Prijungus skaičius suteikiama:
F_ {grav} = (6.67 \ kartus 10 ^ {- 11}) \ frac {(1.67 \ kartus 10 ^ {- 27}) (9.11 \ kartus 10 ^ {- 31})} {(1 \ kartus 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ kartus 10 ^ {- 61} \ tekstas {N}
Elektrostatinę jėgą suteikia Kulono dėsnis:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ kartus10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ kartus 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ kartus 10 ^ {- 19}) } {(1 \ kartus 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ kartus 10 ^ {- 22} \ tekstas {N}
Elektrostatinė jėga tarp protono ir elektrono yra didesnė kaip 1039 kartų didesnė už gravitacinę jėgą!