Электрический заряд - это фундаментальное физическое свойство материи и, в частности, протонов и электронов субатомных частиц. Так же, как атомы имеют массу, эти частицы обладают зарядом, и с этим зарядом связаны электрическая сила и электрическое поле.
Свойства электрического заряда
Электрический заряд бывает двух видов:положительный заряд и отрицательный заряд, которые, как следует из их названия, имеют противоположные знаки (в отличие от массы, которая имеет только одну разновидность). Объекты с электрическим зарядом оказывают друг на друга электрическую силу так же, как объекты с массой через гравитационную силу. Но вместо того, чтобы всегда быть силой притяжения, как в случае с массой, противоположные заряды притягиваются, в то время как подобные заряды отталкиваются.
Единица заряда в системе СИ - кулон (Кл). Один кулон определяется как количество заряда, которое может быть передано одним ампером электрического тока за одну секунду. Основными носителями заряда являются протон с зарядом+ е, а электрон с зарядом-e, где элементарный заряде = 1.602 × 10-19 С.
Чистый заряд объекта - это количество протонов.Nпминус количество электроновNеразе:
\ text {чистая плата} = (N_p - N_e) e
Большинство атомов электрически нейтральны, что означает, что они имеют равное количество протонов и электронов, поэтому их суммарный заряд равен 0 C. Если атом получает или теряет электроны, он называется ионом и будет иметь ненулевой суммарный заряд. Объекты с чистым зарядом обладают статическим электричеством и могут цепляться друг за друга с силой, зависящей от величины заряда.
Обратите внимание, что этот перенос электронов между атомами или между объектами также не приводит к значительному изменению массы объектов. Это потому, что, хотя протоны и электроны имеют одинаковую величину заряда, они имеют очень разные массы. Масса электрона 9,11 × 10-31 кг, а масса протона 1,67 × 10-27 кг. Протон более чем в 1000 раз тяжелее электрона!
Закон Кулона: формула
Закон Кулона дает электростатическую силуFмежду двумя зарядами,q1а такжеq2расстояниеротдельно:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Гдеk- кулоновская постоянная = 8,99 × 109 Нм2/ C2.
Обратите внимание, что эта силавектор,который указывает на линию, направленную от другой частицы, если заряды одинаковые, и к другой частице, если заряды противоположны.
Закон Кулона, как и сила тяжести между двумя массами, является законом обратных квадратов. Это означает, что оно уменьшается как обратный квадрат расстояния между двумя зарядами. Другими словами, заряды, которые находятся вдвое дальше друг от друга, испытывают на четверть большую силу. Но хотя этот заряд уменьшается с расстоянием, он никогда не достигает нуля и поэтому имеет бесконечный диапазон.
Примеры для изучения
Пример 1:Заряд +2еи заряд -4еразделены расстоянием 0,25 см. Какова величина кулоновской силы между ними?
Используя закон Кулона и убедившись, что см преобразовали в m, вы получите:
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}
Пример 2:Предположим, электрон и протон разделены расстоянием 1 мм. Как гравитационная сила между ними сравнивается с электростатической силой?
Гравитационная сила может быть вычислена из уравнения:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Где гравитационная постояннаяграмм = 6.67 × 10-11 м3/kgs2.
Включение цифр дает:
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}
Электростатическая сила определяется законом Кулона:
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}
Электростатическая сила между протоном и электроном более 1039 раз больше силы тяжести!