Електричний заряд є основною фізичною властивістю речовини, зокрема, субатомних частинок протонів та електронів. Подібно до того, як атоми мають масу, ці частинки мають заряд, і з цим зарядом пов'язана електрична сила та електричне поле.
Властивості електричного заряду
Електричний заряд буває двох різновидів:позитивний заряд і негативний заряд, які, як припускають їхні назви, мають протилежні знаки (на відміну від маси, яка має лише один різновид). Об'єкти з електричним зарядом чинять електричну силу один на одного, як і предмети з масою через силу тяжіння. Але замість того, щоб завжди бути привабливою силою, як з масою, протилежні заряди притягуються, тоді як подібні заряди відштовхуються.
Одиницею заряду СІ є кулон (С). Один кулон визначається як величина заряду, який може передаватися одним ампером електричного струму за одну секунду. Основними носіями заряду є протон із зарядом+ еі електрон з зарядом-е, де елементарний зарядe = 1.602 × 10-19 C.
Чистий заряд на об’єкті - це кількість протонівNстормінус число електронівNeразівe:
\ text {чистий збір} = (N_p - N_e) e
Більшість атомів електрично нейтральні, це означає, що вони мають однакову кількість протонів та електронів, тому їх чистий заряд дорівнює 0 С. Якщо атом отримує або втрачає електрони, він називається іоном і матиме ненульовий чистий заряд. Предмети з чистим зарядом демонструють статичну електрику і в результаті можуть чіплятись один до одного із силою, яка залежить від величини заряду.
Зверніть увагу, що цей перенос електронів між атомами або між об'єктами також не призводить до значної зміни маси об'єктів. Це тому, що, хоча протони та електрони мають однакову величину заряду, вони мають дуже різні маси. Маса електрона 9,11 × 10-31 кг, тоді як маса протона становить 1,67 × 10-27 кг. Протон у 1000 разів важчий за електрон!
Закон Кулона: формула
Закон Кулона надає електростатичну силуFміж двома зарядами,q1іq2відстаньрокремо:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Деk- постійна Кулона = 8,99 × 109 Нм2/ C2.
Зверніть увагу, що ця сила є aвектор,яка вказує вздовж лінії, спрямованої від іншої частинки, якщо заряди однакові, і до іншої частинки, якщо заряди протилежні.
Закон Кулона, як і сила тяжіння між двома масами, є законом зворотного квадрата. Це означає, що він зменшується, як обернений квадрат відстані між двома зарядами. Іншими словами, заряди, що знаходяться вдвічі більше, відчувають чверть сили. Але хоча цей заряд зменшується з відстанню, він ніколи не доходить до нуля і тому має нескінченний діапазон.
Приклади для вивчення
Приклад 1:Заряд +2eі заряд -4eрозділені відстанню 0,25 см. Яка величина кулонівської сили між ними?
Використовуючи закон Кулона, і переконавшись перетворити cm в m, ви отримаєте:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (- 4 \ по 1,602 \ по 10 ^ {- 19 })} {0,0025 ^ 2} = 2,95 \ раз 10 ^ {- 22} \ text {N}
Приклад 2:Припустимо, електрон і протон розділені на відстані 1 мм. Як гравітаційна сила між ними порівнюється з електростатичною?
Гравітаційну силу можна обчислити з рівняння:
F_ {гравіта} = G \ frac {m_pm_e} {r ^ 2}
Де гравітаційна сталаG = 6.67 × 10-11 м3/kgs2.
Підключення цифр дає:
F_ {гравітація = = 6,67 \ по 10 ^ {- 11}) \ frac {(1,67 \ по 10 ^ {- 27}) (9,11 \ по 10 ^ {- 31})}} ((1 \ по 10 ^ { -3}) ^ 2} = 1,015 \ разів 10 ^ {- 61} \ текст {N}
Електростатична сила задана законом Кулона:
F_ {elec} = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ times10 ^ 9) \ frac {(1,602 \ раз 10 ^ {- 19}) (- 1,602 \ раз 10 ^ {- 19}) } {(1 \ раз 10 ^ {- 3}) ^ 2} = 2,307 \ раз 10 ^ {- 22} \ текст {N}
Електростатична сила між протоном та електроном більше 1039 в рази більше сили тяжіння!