Elektrische lading is een fundamentele fysieke eigenschap van materie en in het bijzonder de subatomaire deeltjes protonen en elektronen. Net zoals atomen massa hebben, hebben deze deeltjes een lading, en er is een elektrische kracht en een elektrisch veld verbonden aan deze lading.
Eigenschappen van elektrische lading
Elektrische lading is er in twee varianten:positieve lading en negatieve lading, die, zoals hun namen suggereren, tegengestelde tekens hebben (in tegenstelling tot massa, die maar één variëteit heeft). Voorwerpen met elektrische lading oefenen een elektrische kracht op elkaar uit, net zoals objecten met massa dat doen via de zwaartekracht. Maar in plaats van altijd een aantrekkende kracht te zijn, zoals bij massa, trekken tegengestelde ladingen elkaar aan, terwijl gelijke ladingen afstoten.
De SI-eenheid van lading is de coulomb (C). Eén coulomb wordt gedefinieerd als de hoeveelheid lading die in één seconde door één ampère elektrische stroom kan worden overgedragen. De fundamentele ladingsdragers zijn het proton, met lading
+e, en het elektron, met lading-e, waar de elementaire ladinge = 1.602 × 10-19 C.De netto lading op een object is het aantal protonenneepminus het aantal elektronenneeekeere:
\text{netto kosten} = (N_p - N_e) e
De meeste atomen zijn elektrisch neutraal, wat betekent dat ze evenveel protonen als elektronen hebben, dus hun netto lading is 0 C. Als een atoom elektronen wint of verliest, wordt het een ion genoemd en heeft het een nettolading die niet nul is. Objecten met netto lading vertonen statische elektriciteit en kunnen daardoor aan elkaar kleven met een kracht die afhankelijk is van de hoeveelheid lading.
Merk op dat deze overdracht van elektronen tussen atomen of tussen objecten niet ook resulteert in een significante verandering in de massa van de objecten. Dit komt omdat, hoewel protonen en elektronen dezelfde grootte van lading hebben, ze een zeer verschillende massa hebben. De massa van een elektron is 9,11 × 10-31 kg terwijl de massa van een proton 1,67 × 10. is-27 kg. Een proton is meer dan 1000 keer zwaarder dan een elektron!
Wet van Coulomb: formule
De wet van Coulomb geeft de elektrostatische krachtFtussen twee ladingen,q1enq2een afstandrdeel:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
Waarkis de Coulomb-constante = 8,99 × 109 Nm2/C2.
Merk op dat deze kracht a. isvector,die langs een lijn wijst die van het andere deeltje af is gericht als de ladingen hetzelfde zijn en naar het andere deeltje als de ladingen tegengesteld zijn.
De wet van Coulomb is, net als de zwaartekracht tussen twee massa's, een inverse kwadratenwet. Dit betekent dat het afneemt als het inverse kwadraat van de afstand tussen twee ladingen. Met andere woorden, ladingen die twee keer zo ver uit elkaar liggen, ervaren een kwart van de kracht. Maar hoewel deze lading afneemt met de afstand, gaat deze nooit naar nul en heeft dus een oneindig bereik.
Voorbeelden om te bestuderen
Voorbeeld 1:Een toeslag van +2een een lading van -4eworden gescheiden door een afstand van 0,25 cm. Wat is de grootte van de Coulomb-kracht tussen hen?
Met behulp van de wet van Coulomb en door cm naar m te converteren, krijg je:
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\times 10^{-22}\text{ N}
Voorbeeld 2:Stel dat een elektron en een proton gescheiden zijn door een afstand van 1 mm. Hoe verhoudt de zwaartekracht ertussen zich tot de elektrostatische kracht?
De zwaartekracht kan worden berekend met de vergelijking:
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
Waar de zwaartekrachtconstanteG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Cijfers invoeren geeft:
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\times 10^{-61}\text{ N}
De elektrostatische kracht wordt gegeven door de wet van Coulomb:
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\times 10^{-3})^2} = 2.307\times 10^{-22}\text{ N}
De elektrostatische kracht tussen het proton en het elektron is meer dan 1039 keer groter dan de zwaartekracht!