Ładunek elektryczny jest podstawową właściwością fizyczną materii, aw szczególności cząstek subatomowych, protonów i elektronów. Tak jak atomy mają masę, cząstki te mają ładunek, a z tym ładunkiem wiąże się siła elektryczna i pole elektryczne.
Właściwości ładunku elektrycznego
Ładunek elektryczny występuje w dwóch odmianach:ładunek dodatni i ładunek ujemny;, które, jak sugerują ich nazwy, mają przeciwstawne znaki (w przeciwieństwie do masy, która ma tylko jedną odmianę). Obiekty z ładunkiem elektrycznym wywierają na siebie siłę elektryczną, tak jak obiekty z masą poprzez siłę grawitacji. Ale zamiast zawsze być siłą przyciągającą, jak w przypadku masy, przeciwne ładunki przyciągają, podczas gdy ładunki odpychają.
Jednostką ładunku w układzie SI jest kulomb (C). Jeden kulomb definiuje się jako ilość ładunku, jaką może przenieść jeden amper prądu elektrycznego w ciągu jednej sekundy. Podstawowymi nośnikami ładunku są proton z ładunkiem+e, a elektron z ładunkiem-mi, gdzie opłata elementarnami = 1.602 × 10-19 DO.
Ładunek netto na obiekcie to liczba protonówNpminus liczba elektronówNmiczasymi:
\text{opłata netto} = (N_p - N_e) e
Większość atomów jest elektrycznie obojętna, co oznacza, że mają równą liczbę protonów i elektronów, więc ich ładunek netto wynosi 0 C. Jeśli atom zyskuje lub traci elektrony, nazywa się go jonem i będzie miał niezerowy ładunek netto. Obiekty z ładunkiem netto wykazują elektryczność statyczną i mogą w wyniku tego przylegać do siebie z siłą zależną od ilości ładunku.
Zauważ, że ten transfer elektronów między atomami lub między obiektami nie powoduje również znaczącej zmiany masy obiektów. Dzieje się tak, ponieważ chociaż protony i elektrony mają tę samą wielkość ładunku, mają bardzo różne masy. Masa elektronu to 9,11 × 10-31 kg, podczas gdy masa protonu wynosi 1,67 × 10-27 kg. Proton jest ponad 1000 razy cięższy od elektronu!
Prawo Coulomba: Formuła
Prawo Coulomba daje siłę elektrostatycznąfamiędzy dwoma ładunkami,q1iq2dystansrniezależnie:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
Gdziekjest stałą Coulomba = 8,99 × 109 Nm2/DO2.
Zauważ, że ta siła jest iswektor,która wskazuje wzdłuż linii odwróconej od innej cząstki, jeśli ładunki są takie same, i w kierunku drugiej cząstki, jeśli ładunki są przeciwne.
Prawo Coulomba, podobnie jak siła grawitacji między dwiema masami, jest prawem odwrotnym do kwadratu. Oznacza to, że maleje ona jako odwrotność kwadratu odległości między dwoma ładunkami. Innymi słowy, ładunki, które są dwa razy bardziej oddalone od siebie, doświadczają jednej czwartej siły. Ale chociaż ładunek ten maleje wraz z odległością, nigdy nie dochodzi do zera, a więc ma nieskończony zasięg.
Przykłady do nauki
Przykład 1:Opłata +2mii ładunek -4misą oddzielone odległością 0,25 cm. Jaka jest wielkość siły Coulomba między nimi?
Korzystając z prawa Coulomba i przekonwertując cm na m, otrzymujesz:
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\razy 10^{-22}\text{ N}
Przykład 2:Załóżmy, że elektron i proton są oddzielone odległością 1 mm. Jak siła grawitacji między nimi ma się do siły elektrostatycznej?
Siłę grawitacyjną można obliczyć z równania:
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
Gdzie stała grawitacyjnasol = 6.67 × 10-11 mi3/kgs2.
Wpięcie liczb daje:
F_{grav} = (6,67\razy 10^{-11})\frac{(1,67\razy 10^{-27})(9,11\razy 10^{-31})}{(1\razy 10^{ -3})^2} = 1,015\razy 10^{-61}\text{ N}
Siłę elektrostatyczną określa prawo Coulomba:
F_{elec} = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8,99\razy10^9)\frac{(1,602\razy 10^{-19})(-1,602\razy 10^{-19}) }{(1\razy 10^{-3})^2} = 2,307\razy 10^{-22}\text{ N}
Siła elektrostatyczna między protonem a elektronem jest większa niż 1039 razy większa niż siła grawitacji!