Як заряди відштовхуються, а протилежні заряди залучаються, але наскільки велика ця сила притягання? Подібно до того, як у вас є рівняння для обчислення сили тяжіння між двома масами, існує також формула для визначення електричної сили між двома зарядами.
Одиницею електричного заряду СІ є Кулон (С), а основними носіями заряду є протон із зарядом+ еі електрон з зарядом-е, де елементарний зарядe = 1.602× 10-19 C. Через це заряд об’єкта іноді представляється кратнимe.
Закон Кулона
Закон Кулона, названий на честь французького фізика Шарля-Августина де Кулона, дає електричну силу між двома точковими зарядамиq1іq2відстань поділуркрім:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}
Де константаk- постійна Кулона,k = 8.99 × 109 Нм2/ C2.
Одиницею СІ для електричної сили є Ньютон (N), як і всі сили. Напрямок вектора сили спрямований до іншого заряду (привабливий) для протилежних зарядів і від іншого заряду (відштовхувальний), якщо заряди однакові.
Закон Кулона, як і сила тяжіння між двома масами, єзакон оберненого квадрата
Щоб знайти силу на даному заряді через багато інших зарядів, ви використовуєте закон Кулона для визначення сили на заряд за рахунок кожного з інших зарядів окремо, а потім ви додаєте векторну суму сил, щоб отримати остаточний результат.
Чому закон Кулона важливий?
Статична електрика:Закон Кулона - причина, по якій ви шокуєтесь, торкаючись ручки дверей, пройшовши через килим.
Коли ви натираєте ноги килимом, електрони переносяться через тертя, залишаючи у вас чистий заряд. Усі надмірні звинувачення на вас відбивають одне одного. Коли ваша рука тягнеться до дверної ручки, провідника, надмірний заряд робить стрибок, викликаючи шок!
Електрична сила набагато потужніша, ніж сила тяжіння:Хоча між електричною силою та силою тяжіння існує багато подібностей, електрична сила має відносну силу 1036 в рази, ніж сила тяжіння!
Нам гравітація здається великою лише тому, що земля, на якій ми застрягли, така велика, і більшість предметів є електрично нейтральними, тобто вони мають однакову кількість протонів та електронів.
Всередині атомів:Закон Кулона також має відношення до взаємодій між атомними ядрами. Два позитивно заряджених ядра відштовхуватимуть одне через кулонівську силу, якщо вони недостатньо близько перемагає сильна ядерна сила (яка змушує протони залучатись, але діє лише на дуже короткій відстані) назовні
Ось чому для злиття ядер потрібна висока енергія: початкові сили відштовхування повинні бути подолані. Електростатична сила також є причиною притягання електронів до атомних ядер, і тому більшість предметів є електрично нейтральними.
Поляризація:Заряджений об’єкт, наблизившись до нейтрального об’єкта, змушує електронні хмари навколо атомів нейтрального об’єкта перерозподілятися. Це явище називаєтьсяполяризація.
Якщо заряджений об'єкт був заряджений негативно, електронні хмари відсуваються в дальню сторону атомів, в результаті чого позитивні заряди в атомах будуть трохи ближчими, ніж негативні заряди в атом. (Зворотне відбувається, якщо це позитивно заряджений об’єкт, який наближається.)
Закон Кулона говорить нам, що сила притягання між негативно зарядженим об’єктом і позитивними зарядами в нейтральному об’єкті буде трохи сильніше сили відштовхування між негативно зарядженим об'єктом і нейтральним об'єктом через відносну відстань між ними звинувачення.
Як результат, навіть якщо один об’єкт є технічно нейтральним, все одно буде привабливість. Ось чому заряджена куля прилипає до нейтральної стіни!
Приклади для вивчення
Приклад 1:Заряд +2eі заряд -2eрозділені відстанню 0,5 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 \ по 10 ^ 9) \ frac {(2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (- 2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19 })} {0,005 ^ 2} = -3,69 \ разів 10 ^ {- 23} \ text {N}
Негативний знак означає, що це сила притягання.
Приклад 2:Три заряди сидять у вершинах рівностороннього трикутника. У нижній лівій вершині - -4eзаряду. У нижній правій вершині є +2eзаряду, а у верхній вершині +3eзаряду. Якщо сторони трикутника дорівнюють 0,8 мм, яка чиста сила на +3eзаряд?
Для вирішення вам потрібно визначити величину і напрямок сил, зумовлених кожним зарядом окремо, а потім за допомогою векторного додавання знайти кінцевий результат.
Сила між -4eта +3eзаряд:
Величина цієї сили задається:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ по 10 ^ 9) \ frac {(- 4 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19 })} {0,0008 ^ 2} = -4,33 \ разів 10 ^ {- 21} \ text {N}
Оскільки ці заряди мають протилежні знаки, це сила притягання, і вона спрямована вздовж лівої сторони трикутника до -4eзаряду.
Сила між +2eта +3eзаряд:
Величина цієї сили задається:
F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8,99 \ по 10 ^ 9) \ frac {(2 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ по 1,602 \ times10 ^ {- 19} )} {0.0008 ^ 2} = 2.16 \ разів 10 ^ {- 21} \ text {N}
Оскільки ці заряди мають однаковий знак, це сила відштовхування і вказує безпосередньо від +2eзаряду.
Якщо прийняти стандартну систему координат і розбити кожен вектор сили на складові, ви отримаєте:
Додаванняхіркомпоненти дає:
Потім ви використовуєте теорему Піфагора, щоб знайти величину сили:
F_ {net} = \ sqrt {(- 3,245 \ раз 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1,88 \ раз 10 ^ {- 21}) ^ 2} = 3,75 \ раз 10 ^ {- 21} \ текст {N}
І тригонометрія дає вам напрямок:
\ theta = \ tan ^ {- 1} \ frac {F_ {nety}} {F_ {netx}} = \ tan ^ {- 1} \ frac {(- 1,88 \ раз 10 ^ {- 21})}} ( -3,245 \ разів 10 ^ {- 21})} = 30
Напрямок на 30 градусів нижче мінусахвісь (або 30 градусів нижче горизонталі ліворуч.)