Elektrický náboj je základnou fyzikálnou vlastnosťou hmoty, najmä subatomárnych častíc, protónov a elektrónov. Rovnako ako atómy majú hmotnosť, majú aj tieto častice náboj a s týmto nábojom je spojená elektrická sila a elektrické pole.
Vlastnosti elektrického náboja
Elektrický náboj sa dodáva v dvoch variantoch:kladný a záporný náboj, ktoré, ako už ich názvy napovedajú, majú opačné znaky (na rozdiel od omše, ktorá má iba jednu odrodu). Objekty s elektrickým nábojom na seba vyvíjajú elektrickú silu, rovnako ako objekty s hmotou prostredníctvom gravitačnej sily. Namiesto toho, aby boli opačné náboje vždy atraktívnou silou, ako pri hmote, priťahujú ich, zatiaľ čo podobné odpudzujú.
Jednotkou náboja SI je coulomb (C). Jeden coulomb je definovaný ako množstvo náboja, ktoré je možné preniesť jedným ampérom elektrického prúdu za jednu sekundu. Základnými nosičmi náboja sú protóny s nábojom+ ea elektrón s nábojom-e, kde elementárny náboje = 1.602 × 10-19 C.
Čistý náboj na objekte je počet protónovNpmínus počet elektrónovNekráte:
\ text {net charge} = (N_p - N_e) e
Väčšina atómov je elektricky neutrálna, čo znamená, že majú rovnaký počet protónov a elektrónov, takže ich čistý náboj je 0 C. Ak atóm získa alebo stratí elektróny, nazýva sa to ión a bude mať nenulový čistý náboj. Predmety so sieťovým nábojom vykazujú statickú elektrinu a môžu sa tak vzájomne priľnúť silou, ktorá závisí od množstva náboja.
Upozorňujeme, že tento prenos elektrónov medzi atómami alebo medzi objektmi nevedie tiež k významnej zmene hmotnosti objektov. Je to tak preto, lebo zatiaľ čo protóny a elektróny majú rovnakú veľkosť náboja, majú veľmi rozdielne hmotnosti. Hmotnosť elektrónu je 9,11 × 10-31 kg, zatiaľ čo hmotnosť protónu je 1,67 × 10-27 kg Protón je viac ako 1 000-krát ťažší ako elektrón!
Coulombov zákon: Formula
Coulombov zákon dáva elektrostatickú siluFmedzi dvoma poplatkami,q1aq2vzdialenosťrokrem:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Kdekje Coulombova konštanta = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Upozorňujeme, že táto sila je avektor,ktorá smeruje pozdĺž čiary smerujúcej preč od druhej častice, ak sú náboje rovnaké, a smerom k druhej častici, ak sú náboje opačné.
Coulombov zákon je rovnako ako gravitačná sila medzi dvoma hmotnosťami inverzným štvorcovým zákonom. To znamená, že klesá ako inverzný štvorec vzdialenosti medzi dvoma nábojmi. Inými slovami, náboje, ktoré sú od seba dvakrát tak ďaleko, zažívajú štvrtinu sily. Ale zatiaľ čo sa tento náboj so vzdialenosťou zmenšuje, nikdy nejde na nulu a má tak nekonečný rozsah.
Príklady na štúdium
Príklad 1:Poplatok +2ea poplatok -4esú od seba vzdialené 0,25 cm. Aká je veľkosť Coulombovej sily medzi nimi?
Použitím Coulombovho zákona a pri prepočte cm na m získate:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ krát10 ^ 9) \ frac {(2 \ krát 1,602 \ krát10 ^ {- 19}) (- 4 \ krát 1,602 \ krát 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ krát 10 ^ {- 22} \ text {N}
Príklad 2:Predpokladajme, že elektrón a protón sú od seba vzdialené 1 mm. Ako sa porovnáva gravitačná sila medzi nimi a elektrostatickou silou?
Gravitačnú silu je možné vypočítať z rovnice:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Kde gravitačná konštantaG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Pripojením čísel získate:
F_ {grav} = (6,67 \ krát 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ krát 10 ^ {- 27}) (9,11 \ krát 10 ^ {- 31})}} {(1 \ krát 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ krát 10 ^ {- 61} \ text {N}
Elektrostatická sila je daná Coulombovým zákonom:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ krát10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ krát 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ krát 10 ^ {- 19}) } {(1 \ krát 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ krát 10 ^ {- 22} \ text {N}
Elektrostatická sila medzi protónom a elektrónom je viac ako 1039 krát väčšia ako gravitačná sila!