Elektrik yükü, maddenin ve özellikle atom altı parçacıklar olan protonların ve elektronların temel bir fiziksel özelliğidir. Atomların kütlesi olduğu gibi, bu parçacıkların da yükü vardır ve bu yükle ilişkili bir elektrik kuvveti ve elektrik alanı vardır.
Elektrik Yükünün Özellikleri
Elektrik yükü iki çeşittir:pozitif yük ve negatif yükadlarından da anlaşılacağı gibi, zıt işaretlere sahip olan (sadece bir çeşidi olan kütlenin aksine). Elektrik yükü olan cisimler, kütleleri olan cisimler gibi birbirlerine elektrik kuvveti uygularlar. Ancak kütlede olduğu gibi her zaman çekici bir güç olmak yerine, zıt yükler birbirini çekerken benzer yükler iter.
SI yük birimi coulomb'dur (C). Bir Coulomb, bir amperlik elektrik akımının bir saniyede aktarabileceği yük miktarı olarak tanımlanır. Temel yük taşıyıcıları, yükü olan protonlardır.+eve elektron, yüklü-e, nerede temel ücrete = 1.602 × 10-19 C.
Bir cismin net yükü proton sayısıdır.Npeksi elektron sayısıNezamanlare:
\text{net ücret} = (N_p - N_e) e
Çoğu atom elektriksel olarak nötrdür, yani eşit sayıda proton ve elektrona sahiptirler, dolayısıyla net yükleri 0 C'dir. Bir atom elektron kazanır veya kaybederse, ona iyon denir ve sıfırdan farklı bir net yüke sahip olur. Net yüklü cisimler statik elektrik sergilerler ve bunun sonucunda yük miktarına bağlı bir kuvvetle birbirlerine yapışabilirler.
Atomlar veya nesneler arasındaki bu elektron transferinin aynı zamanda nesnelerin kütlesinde önemli bir değişikliğe neden olmadığına dikkat edin. Bunun nedeni, protonların ve elektronların aynı yük büyüklüğüne sahipken çok farklı kütlelere sahip olmalarıdır. Bir elektronun kütlesi 9.11 × 10-31 kg, protonun kütlesi ise 1.67 × 10-27 kilogram. Bir proton, bir elektrondan 1000 kat daha ağırdır!
Coulomb Yasası: Formül
Coulomb Yasası elektrostatik kuvveti verirFiki yük arasında,q1veq2uzaklıkrayrı:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
NeredekCoulomb sabiti = 8.99 × 109 Nm2/C2.
Bu kuvvetin bir olduğuna dikkat edin.vektör,Bu, yükler aynıysa diğer parçacıktan uzağa, zıt yüklere sahipse diğer parçacığa doğru yönlendirilmiş bir çizgi boyunca işaret eder.
Coulomb yasası, tıpkı iki kütle arasındaki yerçekimi kuvveti gibi, ters bir kare yasasıdır. Bu, iki yük arasındaki mesafenin ters karesi olarak azaldığı anlamına gelir. Başka bir deyişle, iki kat daha uzak olan yükler, kuvvetin dörtte birini deneyimler. Ancak bu yük mesafe ile azalırken, asla sıfıra gitmez ve dolayısıyla sonsuz menzile sahiptir.
İncelenecek Örnekler
Örnek 1:+2 ücreteve -4 bir ücrete0.25 cm mesafe ile ayrılır. Aralarındaki Coulomb kuvvetinin büyüklüğü nedir?
Coulomb yasasını kullanarak ve cm'yi m'ye çevirdiğinizden emin olarak şunları elde edersiniz:
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}
Örnek 2:Bir elektron ve protonun 1 mm'lik bir mesafeyle ayrıldığını varsayalım. Aralarındaki yerçekimi kuvveti, elektrostatik kuvvetle nasıl karşılaştırılır?
Yerçekimi kuvveti denklemden hesaplanabilir:
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
yerçekimi sabiti neredeG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Rakamları takmak şunları sağlar:
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}
Elektrostatik kuvvet, Coulomb yasası tarafından verilir:
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}
Proton ve elektron arasındaki elektrostatik kuvvet 10'dan fazladır.39 yerçekimi kuvvetinden kat kat fazla!