Električni naboj je temeljna fizikalna lastnost snovi, zlasti subatomskih delcev, protoni in elektroni. Tako kot imajo atomi maso, imajo tudi ti delci naboj in s tem nabojem sta povezani električna sila in električno polje.
Lastnosti električnega naboja
Električni naboj je na voljo v dveh različicah:pozitivni in negativni naboj, ki imajo, tako kot navajajo njihova imena, nasprotna znamenja (za razliko od mase, ki ima samo eno sorto). Predmeti z električnim nabojem izvajajo električno silo drug na drugega, tako kot predmeti z maso preko gravitacijske sile. Toda namesto da bi bili vedno privlačna sila, tako kot pri masi, se nasprotni naboji privlačijo, medtem ko se podobni naboji odbijajo.
Enota naboja SI je kulon (C). En kulon je definiran kot količina naboja, ki jo lahko v eni sekundi prenese en amper električnega toka. Temeljni nosilci naboja so proton z nabojem+ ein elektron z nabojem-e, kjer je osnovni naboje = 1.602 × 10-19 C.
Neto naboj na objektu je število protonovNstrminus število elektronovNekrate:
\ text {neto strošek} = (N_p - N_e) e
Večina atomov je električno nevtralnih, kar pomeni, da imajo enako število protonov in elektronov, zato je njihov neto naboj 0 C. Če atom pridobi ali izgubi elektrone, se imenuje ion in bo imel ničelni neto naboj. Predmeti z neto nabojem kažejo statično elektriko in se lahko zaradi tega oprimejo sile, ki je odvisna od količine naboja.
Upoštevajte, da ta prenos elektronov med atomi ali med predmeti ne povzroči tudi bistvene spremembe mase predmetov. To je zato, ker imajo protoni in elektroni enako velikost naboja, vendar imajo zelo različne mase. Masa elektrona je 9,11 × 10-31 masa protona je 1,67 × 10-27 kg Proton je več kot 1000-krat težji od elektrona!
Coulombov zakon: formula
Coulombov zakon daje elektrostatično siloFmed dvema nabojema,q1inq2razdaljarnarazen:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Kjekje Coulomova konstanta = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Upoštevajte, da je ta sila avektor,ki kaže vzdolž črte, usmerjene stran od drugega delca, če so naboji enaki, in proti drugemu delcu, če so naboji nasprotni.
Coulombov zakon je tako kot sila gravitacije med dvema masama obratni kvadratni zakon. To pomeni, da se zmanjša kot obratni kvadrat razdalje med dvema nabojema. Z drugimi besedami, naboji, ki so dvakrat bolj narazen, imajo četrtino moči. Toda medtem ko se ta naboj zmanjšuje z razdaljo, nikoli ne gre na nič in ima tako neskončen domet.
Primeri za preučevanje
Primer 1:Polnjenje +2ein naboj -4eso ločeni z razdaljo 0,25 cm. Kolikšna je velikost Coulomove sile med njima?
Z uporabo Coulombovega zakona in pri pretvorbi cm v m dobimo:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ krat 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ krat 1,602 \ krat 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ krat 10 ^ {- 22} \ besedilo {N}
2. primer:Recimo, da sta elektrona in protona ločena z razdaljo 1 mm. Kako se gravitacijska sila med njima primerja z elektrostatično silo?
Gravitacijsko silo lahko izračunamo iz enačbe:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Kjer je gravitacijska konstantaG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Priključitev številk daje:
F_ {grav} = (6,67 \ krat 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ krat 10 ^ {- 27}) (9,11 \ krat 10 ^ {- 31})} {(1 \ krat 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ krat 10 ^ {- 61} \ besedilo {N}
Elektrostatična sila je podana po Coulombovem zakonu:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ krat10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ krat 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ krat 10 ^ {- 19}) } {(1 \ krat 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ krat 10 ^ {- 22} \ besedilo {N}
Elektrostatična sila med protonom in elektronom je večja od 1039 krat večja od gravitacijske sile!