Sarcina electrică este o proprietate fizică fundamentală a materiei și, în special, a particulelor subatomice, protoni și electroni. Așa cum atomii au masă, aceste particule au sarcină și există o forță electrică și un câmp electric asociate cu această sarcină.
Proprietățile încărcării electrice
Încărcarea electrică vine în două varietăți:sarcină pozitivă și sarcină negativă, care, așa cum sugerează și numele lor, au semne opuse (spre deosebire de masă, care are doar un soi). Obiectele cu sarcină electrică exercită reciproc o forță electrică, la fel cum fac obiectele cu masă prin forța gravitațională. Dar, în loc să fie întotdeauna o forță atractivă, la fel ca în cazul masei, sarcinile opuse atrag în timp ce sarcinile resping.
Unitatea SI de încărcare este coulombul (C). Un coulomb este definit ca cantitatea de încărcare care poate fi transferată de un amper de curent electric într-o secundă. Purtătorii de sarcină fundamentali sunt protonul, cu sarcină+ e, și electronul, cu încărcare-e, unde sarcina elementarăe = 1.602 × 10-19 C.
Încărcarea netă pe un obiect este numărul de protoniNpminus numărul de electroniNeorie:
\ text {net charge} = (N_p - N_e) e
Majoritatea atomilor sunt neutri din punct de vedere electric, ceea ce înseamnă că au un număr egal de protoni și electroni, deci sarcina lor netă este de 0 C. Dacă un atom câștigă sau pierde electroni, acesta se numește ion și va avea o încărcare netă diferită de zero. Obiectele cu încărcare netă prezintă electricitate statică și se pot agăța unul de celălalt ca urmare, cu o forță dependentă de cantitatea de încărcare.
Rețineți că acest transfer de electroni între atomi sau între obiecte nu are ca rezultat nici o schimbare semnificativă a masei obiectelor. Acest lucru se datorează faptului că, în timp ce protonii și electronii au aceeași magnitudine de încărcare, aceștia au mase foarte diferite. Masa unui electron este de 9,11 × 10-31 kg, în timp ce masa unui proton este de 1,67 × 10-27 kg. Un proton este de peste 1.000 de ori mai greu decât un electron!
Legea lui Coulomb: Formula
Legea lui Coulomb dă forța electrostaticăFîntre două acuzații,q1șiq2o distantarîn afară:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Undekeste constanta Coulomb = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Rețineți că această forță este ovector,care indică de-a lungul unei linii îndreptate departe de cealaltă particulă dacă sarcinile sunt aceleași și spre cealaltă particulă dacă sarcinile sunt opuse.
Legea lui Coulomb, la fel ca forța gravitației dintre două mase, este o lege pătrată inversă. Aceasta înseamnă că scade pe măsură ce pătratul invers al distanței dintre două sarcini. Cu alte cuvinte, acuzațiile care sunt de două ori mai îndepărtate se confruntă cu un sfert din forță. Dar, în timp ce această sarcină se diminuează odată cu distanța, ea nu merge niciodată la zero și, astfel, are o rază infinită.
Exemple de studiu
Exemplul 1:O taxă de +2eși o taxă de -4esunt separate de o distanță de 0,25 cm. Care este amploarea forței Coulomb dintre ele?
Folosind legea lui Coulomb și fiind sigur că convertiți cm în m, obțineți:
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 \ ori 10 ^ {- 22} \ text {N}
Exemplul 2:Să presupunem că un electron și un proton sunt separați cu o distanță de 1 mm. Cum se compară forța gravitațională dintre ele cu forța electrostatică?
Forța gravitațională poate fi calculată din ecuația:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Unde constanta gravitaționalăG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Conectarea numerelor oferă:
F_ {grav} = (6,67 \ ori 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ ori 10 ^ {- 27}) (9,11 \ ori 10 ^ {- 31})} {(1 \ ori 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ ori 10 ^ {- 61} \ text {N}
Forța electrostatică este dată de legea lui 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}
Forța electrostatică dintre proton și electron este mai mare de 1039 de ori mai mare decât forța gravitațională!