Elektrisk laddning är en grundläggande fysisk egenskap hos materien och i synnerhet de subatomära partiklarna protoner och elektroner. Precis som atomer har massa, har dessa partiklar laddning, och det finns en elektrisk kraft och ett elektriskt fält associerat med denna laddning.
Egenskaper för elektrisk laddning
Elektrisk laddning finns i två varianter:positiv laddning och negativ laddning, som, som deras namn antyder, har motsatta tecken (till skillnad från massa, som bara har en variation). Objekt med elektrisk laddning utövar en elektrisk kraft på varandra, precis som objekt med massa gör via gravitationskraften. Men istället för att alltid vara en attraktiv kraft, som med massa, lockar motsatta laddningar medan liknande laddningar stöter bort.
SI-laddningsenheten är coulomb (C). En coulomb definieras som mängden laddning som kan överföras med en ampere elektrisk ström på en sekund. De grundläggande laddningsbärarna är protonen, med laddning+ eoch elektronen, med laddning-e, där den grundläggande laddningene = 1.602 × 10-19 C.
Nettoladdningen på ett objekt är antalet protonerNsidminus antalet elektronerNegångere:
\ text {nettoladdning} = (N_p - N_e) e
De flesta atomer är elektriskt neutrala, vilket innebär att de har lika många protoner och elektroner, så deras nettoladdning är 0 C. Om en atom vinner eller förlorar elektroner kallas den en jon och har en nettoladdning som inte är noll. Objekt med nettoladdning uppvisar statisk elektricitet och kan hålla fast vid varandra som ett resultat med en kraft som är beroende av mängden laddning.
Observera att denna överföring av elektroner mellan atomer eller mellan objekt inte också resulterar i signifikant förändring i massan av objekten. Detta beror på att medan protoner och elektroner har samma laddningsstorlek, har de mycket olika massor. Massan av en elektron är 9,11 × 10-31 kg medan en protons massa är 1,67 × 10-27 kg. En proton är mer än 1000 gånger tyngre än en elektron!
Coulombs lag: formel
Coulombs lag ger den elektrostatiska kraftenFmellan två avgifter,q1ochq2en distansrisär:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Varkär Coulomb-konstanten = 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Observera att denna kraft är avektor,som pekar längs en linje riktad från den andra partikeln om laddningarna är desamma och mot den andra partikeln om laddningarna är motsatta.
Coulombs lag, precis som tyngdkraften mellan två massor, är en invers kvadratisk lag. Detta betyder att den minskar som den inversa kvadraten på avståndet mellan två laddningar. Med andra ord, laddningar som är dubbelt så långt ifrån varandra upplever en fjärdedel av kraften. Men även om denna laddning minskar med avståndet går den aldrig till noll och har det oändliga räckvidden.
Exempel att studera
Exempel 1:En avgift på +2eoch en avgift på -4esepareras med ett avstånd på 0,25 cm. Hur stor är Coulomb-kraften mellan dem?
Genom att använda Coulombs lag och se till att konvertera cm till m får du:
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 \ gånger 10 ^ {- 22} \ text {N}
Exempel 2:Antag att en elektron och proton är åtskilda med ett avstånd på 1 mm. Hur jämför gravitationskraften mellan dem med den elektrostatiska kraften?
Gravitationskraften kan beräknas från ekvationen:
F_ {grav} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Där gravitationskonstantenG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Att sätta i siffror ger:
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 \ gånger 10 ^ {- 61} \ text {N}
Den elektrostatiska kraften ges av Coulombs lag:
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 \ gånger 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2.307 \ gånger 10 ^ {- 22} \ text {N}
Den elektrostatiska kraften mellan protonen och elektronen är mer än 1039 gånger större än gravitationskraften!