Elektrisk ladning er en grunnleggende fysisk egenskap for materie og spesielt de subatomære partiklene protoner og elektroner. Akkurat som atomer har masse, har disse partiklene ladning, og det er en elektrisk kraft og et elektrisk felt assosiert med denne ladningen.
Egenskaper ved elektrisk lading
Elektrisk ladning kommer i to varianter:positiv ladning og negativ ladning, som, som navnene antyder, har motsatte tegn (i motsetning til masse, som bare har en variasjon). Objekter med elektrisk ladning utøver en elektrisk kraft på hverandre, akkurat som objekter med masse gjør via gravitasjonskraften. Men i stedet for alltid å være en attraktiv kraft, som med masse, tiltrekker motsatte ladninger mens lignende ladninger frastøter.
SI-ladningsenheten er coulomb (C). En coulomb er definert som mengden av ladning som kan overføres av en ampere elektrisk strøm på ett sekund. De grunnleggende ladebærerne er protonen, med ladning+ eog elektronet, med ladning-e, der elementærladningene = 1.602 × 10-19 C.
Nettoladningen på et objekt er antall protonerNsminus antall elektronerNegangere:
\ text {net charge} = (N_p - N_e) e
De fleste atomer er elektrisk nøytrale, noe som betyr at de har like mange protoner og elektroner, så deres nettolading er 0 C. Hvis et atom får eller mister elektroner, kalles det et ion og vil ha en nettolading uten null. Objekter med nettolading viser statisk elektrisitet og kan feste seg til hverandre som et resultat med en kraft avhengig av ladningsmengden.
Merk at denne overføringen av elektroner mellom atomer eller mellom objekter ikke også resulterer i signifikant endring i massen til gjenstandene. Dette er fordi mens protoner og elektroner har samme ladningsstørrelse, har de veldig forskjellige masser. Massen til et elektron er 9,11 × 10-31 kg mens massen til et proton er 1,67 × 10-27 kg. En proton er mer enn 1000 ganger tyngre enn et elektron!
Coulombs lov: formel
Coulombs lov gir den elektrostatiske kraftenFmellom to anklager,q1ogq2en avstandrfra hverandre:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Hvorker Coulomb-konstanten = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Merk at denne kraften er envektor,som peker langs en linje rettet bort fra den andre partikkelen hvis ladningene er de samme og mot den andre partikkelen hvis ladningene er motsatte.
Coulombs lov, akkurat som tyngdekraften mellom to masser, er en omvendt kvadratisk lov. Dette betyr at den avtar som det inverse kvadratet av avstanden mellom to ladninger. Med andre ord opplever ladninger som er dobbelt så langt fra hverandre en fjerdedel av styrken. Men mens denne ladningen avtar med avstand, går den aldri til null, og det har også uendelig rekkevidde.
Eksempler å studere
Eksempel 1:En kostnad på +2eog en kostnad på -4eer atskilt med en avstand på 0,25 cm. Hva er størrelsen på Coulomb-kraften mellom dem?
Ved å bruke Coulombs lov og sørge for å konvertere cm til m får du:
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 \ ganger 10 ^ {- 22} \ text {N}
Eksempel 2:Anta at et elektron og proton er atskilt med en avstand på 1 mm. Hvordan sammenlignes gravitasjonskraften mellom dem med den elektrostatiske kraften?
Gravitasjonskraften kan beregnes fra ligningen:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Hvor gravitasjonskonstantenG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Å plugge inn tall gir:
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 \ ganger 10 ^ {- 61} \ tekst {N}
Den elektrostatiske kraften er gitt av Coulombs lov:
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 \ ganger 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ ganger 10 ^ {- 22} \ text {N}
Den elektrostatiske kraften mellom proton og elektron er mer enn 1039 ganger større enn gravitasjonskraften!