ประจุไฟฟ้าเป็นสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของสสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โปรตอนและอิเล็กตรอนของอนุภาคย่อยของอะตอม เช่นเดียวกับอะตอมมีมวล อนุภาคเหล่านี้มีประจุ และมีแรงไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับประจุนี้
คุณสมบัติของประจุไฟฟ้า
ประจุไฟฟ้ามาในสองรูปแบบ:ประจุบวกและประจุลบซึ่งเหมือนชื่อของพวกเขามีเครื่องหมายตรงกันข้าม (ต่างจากมวลซึ่งมีเพียงหนึ่งความหลากหลาย) วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าออกแรงไฟฟ้าให้กันและกัน เช่นเดียวกับวัตถุที่มีมวลกระทำผ่านแรงโน้มถ่วง แต่แทนที่จะเป็นแรงดึงดูดเสมอไป เช่นเดียวกับมวล ประจุตรงข้ามจะดึงดูดในขณะที่ประจุขับไล่
หน่วยประจุ SI คือคูลอมบ์ (C) หนึ่งคูลอมบ์หมายถึงปริมาณประจุที่สามารถถ่ายโอนได้ด้วยกระแสไฟฟ้าหนึ่งแอมแปร์ในหนึ่งวินาที ตัวพาประจุพื้นฐานคือโปรตอน โดยมีประจุ+อีและอิเล็กตรอนที่มีประจุ-e, โดยที่ค่าใช้จ่ายเบื้องต้นอี = 1.602 × 10-19 ค.
ประจุสุทธิบนวัตถุคือจำนวนโปรตอนนู๋พีลบจำนวนอิเล็กตรอนนู๋อีครั้งอี:
\text{ค่าใช้จ่ายสุทธิ} = (N_p - N_e) e
อะตอมส่วนใหญ่มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า หมายความว่าพวกมันมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน ดังนั้นประจุสุทธิของพวกมันคือ 0 C หากอะตอมได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน จะเรียกว่าไอออนและจะมีประจุสุทธิที่ไม่ใช่ศูนย์ วัตถุที่มีประจุสุทธิจะมีไฟฟ้าสถิตและสามารถเกาะติดกันได้เป็นผลให้แรงขึ้นอยู่กับปริมาณประจุ
โปรดทราบว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมหรือระหว่างวัตถุไม่ได้ส่งผลให้มวลของวัตถุเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากในขณะที่โปรตอนและอิเล็กตรอนมีขนาดประจุเท่ากัน แต่ก็มีมวลต่างกันมาก มวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 × 10-31 กิโลกรัม ในขณะที่มวลของโปรตอนคือ 1.67 × 10-27 กิโลกรัม. โปรตอนหนักกว่าอิเล็กตรอน 1,000 เท่า!
กฎของคูลอมบ์: สูตร
กฎของคูลอมบ์ให้แรงไฟฟ้าสถิตFระหว่างสองข้อหาq1และq2ระยะทางrแยกจากกัน:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
ที่ไหนkคือค่าคงที่คูลอมบ์ = 8.99 × 109 นม2/ค2.
โปรดทราบว่าแรงนี้คือ aเวกเตอร์,ซึ่งชี้ไปตามเส้นที่พุ่งออกจากอนุภาคอื่นหากประจุเท่ากันและชี้ไปทางอนุภาคอื่นหากประจุอยู่ตรงข้าม
กฎของคูลอมบ์ก็เหมือนกับแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสองก้อน คือกฎกำลังสองผกผัน ซึ่งหมายความว่าจะลดลงเป็นกำลังสองผกผันของระยะห่างระหว่างประจุสองก้อน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ประจุที่ห่างกันเป็นสองเท่าจะพบกับแรงหนึ่งในสี่ แต่ในขณะที่ประจุนี้ลดลงตามระยะทาง ประจุนี้จะไม่ไปที่ศูนย์และมีช่วงที่ไม่จำกัด
ตัวอย่างการศึกษา
ตัวอย่างที่ 1:ค่าใช้จ่าย +2อีและค่าใช้จ่ายของ -4อีโดยเว้นระยะห่าง 0.25 ซม. ขนาดของแรงคูลอมบ์ระหว่างพวกเขาคืออะไร?
โดยใช้กฎของคูลอมบ์ และต้องแน่ใจว่าแปลง cm เป็น m คุณจะได้รับ:
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\ครั้ง 10^{-22}\ข้อความ{ N}
ตัวอย่างที่ 2:สมมุติว่าอิเล็กตรอนและโปรตอนอยู่ห่างกัน 1 มม. แรงโน้มถ่วงระหว่างพวกเขาเปรียบเทียบกับแรงไฟฟ้าสถิตอย่างไร?
แรงโน้มถ่วงสามารถคำนวณได้จากสมการดังนี้
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
ที่ค่าคงที่โน้มถ่วงจี = 6.67 × 10-11 ม3/kgs2.
การเสียบตัวเลขช่วยให้:
F_{grav} = (6.67\ครั้ง 10^{-11})\frac{(1.67\times 10^{-27})(9.11\times 10^{-31})}{(1\times 10^{ -3})^2} = 1.015\ครั้ง 10^{-61}\ข้อความ{ N}
แรงไฟฟ้าสถิตถูกกำหนดโดยกฎของคูลอมบ์:
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}
แรงไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอนมีค่ามากกว่า 1039 แรงกว่าแรงดึงดูดหลายเท่า!