Elektriskā lādiņa ir matērijas un jo īpaši subatomisko daļiņu protonu un elektronu fizikālā pamatīpašība. Tāpat kā atomiem ir masa, arī šīm daļiņām ir maksa, un ar šo lādiņu ir saistīts elektriskais spēks un elektriskais lauks.
Elektriskās uzlādes īpašības
Elektriskā uzlāde ir divu veidu:pozitīvs lādiņš un negatīvs lādiņš, kam, tāpat kā to norāda viņu nosaukumi, ir pretējas zīmes (atšķirībā no masas, kurai ir tikai viena šķirne). Objekti ar elektrisko lādiņu iedarbojas viens uz otru elektriski, tāpat kā objekti ar masu caur gravitācijas spēku. Bet tā vietā, lai vienmēr būtu pievilcīgs spēks, tāpat kā ar masu, pretēji lādiņi piesaista, kamēr līdzīgi lādiņi atgrūž.
SI lādēšanas vienība ir kulons (C). Viens kulons ir definēts kā lādiņa daudzums, ko vienā sekundē var pārnest ar vienu ampēru elektriskās strāvas. Galvenie lādiņu nesēji ir protons ar lādiņu+ eun elektrons ar lādiņu-e, kur elementārais lādiņše = 1.602 × 10-19 C.
Objekta neto lādiņš ir protonu skaitsNlppmīnus elektronu skaitsNereizese:
\ text {neto maksa} = (N_p - N_e) e
Lielākā daļa atomu ir elektriski neitrāli, tas nozīmē, ka tiem ir vienāds protonu un elektronu skaits, tāpēc to neto lādiņš ir 0 C. Ja atoms iegūst vai zaudē elektronus, to sauc par jonu un tam būs nulles neto lādiņš. Objekti ar neto lādiņu uzrāda statisko elektrību un rezultātā var pieķerties viens otram ar spēku, kas atkarīgs no lādiņa apjoma.
Ņemiet vērā, ka šī elektronu pārnešana starp atomiem vai starp objektiem nerada būtiskas objektu masas izmaiņas. Tas notiek tāpēc, ka, lai gan protoniem un elektroniem ir vienāds lādiņa lielums, tiem ir ļoti atšķirīga masa. Elektrona masa ir 9,11 × 10-31 kg, bet protona masa ir 1,67 × 10-27 Kilograms. Protons ir vairāk nekā 1000 reižu smagāks par elektronu!
Kulona likums: Formula
Kulona likums dod elektrostatisko spēkuFstarp diviem maksājumiem,q1unq2attālumsrizņemot:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Kurkir Kulona konstante = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Ņemiet vērā, ka šis spēks ir avektors,kas norāda pa līniju, kas vērsta prom no otras daļiņas, ja lādiņi ir vienādi, un uz otru daļiņu, ja lādiņi ir pretēji.
Kulona likums, tāpat kā smaguma spēks starp divām masām, ir apgriezts kvadrāta likums. Tas nozīmē, ka tas samazinās kā attāluma apgrieztais kvadrāts starp diviem lādiņiem. Citiem vārdiem sakot, lādiņi, kas ir divtik tālu viens no otra, piedzīvo ceturtdaļu spēka. Bet, kamēr šī lādiņa samazinās līdz ar attālumu, tā nekad nenonāk līdz nullei un līdz ar to arī bezgalīgajam diapazonam.
Pētāmie piemēri
1. piemērs:Maksa par +2eun maksa -4eir atdalīti ar 0,25 cm attālumu. Cik liels ir Kulona spēks starp viņiem?
Izmantojot Kulona likumu un pārliecinoties, ka cm konvertējat uz m, jūs saņemat:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ reizes10 ^ 9) \ frac {(2 reizes 1,602 reizes10 ^ {- 19}) (- 4 reizes 1,602 reizes 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ reizes 10 ^ {- 22} \ teksts {N}
2. piemērs:Pieņemsim, ka elektrons un protons ir atdalīti ar 1 mm attālumu. Kā gravitācijas spēks starp tiem ir salīdzināms ar elektrostatisko spēku?
Gravitācijas spēku var aprēķināt no vienādojuma:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Kur gravitācijas konstanteG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Pievienojot skaitļus, iegūst:
F_ {grav} = (6.67 \ reizes 10 ^ {- 11}) \ frac {(1.67 \ reizes 10 ^ {- 27}) (9.11 \ reizes 10 ^ {- 31})} {(1 \ reizes 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ reizes 10 ^ {- 61} \ teksts {N}
Elektrostatisko spēku nosaka Kulona likums:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ reizes10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ reizes 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ reizes 10 ^ {- 19}) } {(1 \ reizes 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ reizes 10 ^ {- 22} \ teksts {N}
Elektrostatiskais spēks starp protonu un elektronu ir lielāks par 1039 reizes lielāks par gravitācijas spēku!