ZA obciążenie punktowe, W kontekście elektromagnetyzmu jest to ładunek elektryczny o tak małych wymiarach, że można go uznać za punkt. Na przykład cząstki elementarne, które mają ładunek elektryczny, proton i elektron, są tak małe, że w wielu zastosowaniach można pominąć ich wymiary. Biorąc pod uwagę, że ładunek jest zorientowany punktowo, obliczenie jego interakcji i zrozumienie elektrycznych właściwości materii jest znacznie łatwiejsze..
Nie tylko cząstki elementarne mogą być ładunkami punktowymi. Podobnie mogą zjonizowane cząsteczki, naładowane kule, które Charles A. Coulomb (1736-1806) używał w swoich eksperymentach, a nawet sama Ziemia. Wszystkie można uznać za ładunki punktowe, o ile widzimy je z odległości znacznie większych niż rozmiar obiektu..
Ponieważ wszystkie ciała są zbudowane z cząstek elementarnych, ładunek elektryczny jest nieodłączną właściwością materii, podobnie jak masa. Nie możesz mieć elektronu bez masy, ani też nie możesz mieć żadnego ładunku.
Indeks artykułów
O ile wiemy dzisiaj, istnieją dwa rodzaje ładunku elektrycznego: dodatni i ujemny. Elektrony mają ładunek ujemny, podczas gdy protony mają ładunek dodatni..
Ładunki o tym samym znaku odpychają się, podczas gdy o przeciwnych znakach przyciągają. Dotyczy to każdego rodzaju ładunku elektrycznego, punktualnego lub rozłożonego na obiekcie o mierzalnych wymiarach..
Ponadto dokładne eksperymenty potwierdziły, że ładunek protonu i elektronu mają dokładnie taką samą wielkość..
Kolejną bardzo ważną kwestią do rozważenia jest kwantowanie ładunku elektrycznego. Jak dotąd nie znaleziono żadnych izolowanych ładunków elektrycznych o wielkości mniejszej niż ładunek elektronu. Wszystkie są wielokrotnościami tego.
Wreszcie ładunek elektryczny zostaje zachowany. Innymi słowy, ładunek elektryczny nie jest ani tworzony, ani niszczony, ale może być przenoszony z jednego obiektu na drugi. W ten sposób, jeśli system jest izolowany, całkowite obciążenie pozostaje stałe..
Jednostką ładunku elektrycznego w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) jest Coulomb, w skrócie C, na cześć Charlesa A. dwie opłaty punktowe. Porozmawiamy o niej później.
Ładunek elektryczny elektronu, który jest najmniejszy z możliwych, jaki można wyodrębnić w naturze, ma wielkość:
i- = 1,6 x 10 -16 do
Coulomb to dość duża jednostka, dlatego często używa się podwielokrotności:
-1 mili C = 1 mC = 1 x 10-3 do
-1 mikro C = 1 μC = 1 x 10-6 do
-1 nano C = 1 nC = 1 x 10-9 do
I jak wspomnieliśmy wcześniej, znak i- jest negatywna. Ładunek protonu ma dokładnie taką samą wielkość, ale ze znakiem dodatnim.
Znaki są kwestią konwencji, to znaczy istnieją dwa rodzaje elektryczności i konieczne jest ich rozróżnienie, dlatego jednemu przypisany jest znak (-), a drugiemu (+). Benjamin Franklin dokonał tego określenia, a także ogłosił zasadę zachowania ładunku..
W czasach Franklina wewnętrzna struktura atomu była wciąż nieznana, ale Franklin zauważył, że pręt szklany potarty jedwabiem został naładowany elektrycznie, nazywając ten rodzaj elektryczności dodatnim..
Każdy obiekt, który został przyciągnięty przez wspomnianą elektryczność, miał znak ujemny. Po odkryciu elektronu zaobserwowano, że przyciąga go naładowany szklany pręt i w ten sposób ładunek elektronu stał się ujemny.
Pod koniec XVIII wieku Coulomb, francuski inżynier wojskowy, długo badał właściwości materiałów, siły działające na belki i siłę tarcia..
Ale najlepiej jest go zapamiętać z powodu prawa, które nosi jego imię i opisuje interakcję między dwoma punktowymi ładunkami elektrycznymi.
Niech będą dwa ładunki elektryczne co1 Y codwa. Coulomb ustalił, że siła między nimi, przyciąganie lub odpychanie, jest wprost proporcjonalna do iloczynu obu ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi..
Matematycznie:
fa∝ co1 . codwa / rdwa
W tym równaniu, fa reprezentuje wielkość siły i r to odległość dzieląca ładunki. Równość wymaga stałej proporcjonalności, która nazywa się stałą elektrostatyczną i jest oznaczana jako ki.
A zatem:
F = k. co1 . codwa / rdwa
Co więcej, Coulomb odkrył, że siła była skierowana wzdłuż linii łączącej ładunki. W takim razie tak r jest wektorem jednostkowym wzdłuż tej linii, prawo Coulomba jako wektora to:
Coulomb użył urządzenia o nazwie równowaga skrętna do swoich eksperymentów. Dzięki niemu można było ustalić wartość stałej elektrostatycznej w:
ki = 8,99 x 109 N mdwa/ Cdwa ≈ 9,0 x 109 N mdwa/ Cdwa
Następnie zobaczymy aplikację. Istnieją trzy opłaty punktowe qDO, cob i codo które znajdują się w pozycjach wskazanych na rysunku 2. Obliczmy siłę wypadkową na qb.
Obciążenie qDO przyciąga ten ładunekb, ponieważ mają przeciwne znaki. To samo można powiedzieć o qdo. Schemat izolowanego ciała pokazano na rysunku 2 po prawej stronie, na którym obserwuje się, że obie siły są skierowane wzdłuż osi pionowej lub osi y i mają przeciwne kierunki.
Siła wypadkowa na ładunku qb to jest:
faR = faAB + faCB (Zasada superpozycji)
Pozostaje tylko podstawić wartości liczbowe, uważając, aby zapisać wszystkie jednostki w układzie międzynarodowym (SI).
faAB = 9,0 x 109 x 1 x 10-9 x 2 x 10-9 / (2 x 10-dwa) dwa N (+Y) = 0,000045 (+Y) N
faCB = 9,0 x 109 x 2 x 10-9 x 2 x 10-9 / (1 x 10-dwa) dwa N (-Y) = 0,00036 (-Y) N
faR = faAB + faCB = 0,000045 (+Y) + 0,00036 (-Y) N = 0,000315 (-Y) N
Te dwie siły mają tę samą formę matematyczną. Oczywiście różnią się one wartością stałej proporcjonalności i tym, że grawitacja działa z masami, a elektryczność z ładunkami..
Ale ważne jest to, że oba zależą od odwrotności kwadratu odległości.
Istnieje wyjątkowy rodzaj masy i jest uważany za dodatni, więc siła grawitacji jest zawsze atrakcyjna, podczas gdy ładunki mogą być dodatnie lub ujemne. Z tego powodu siły elektryczne mogą być atrakcyjne lub odpychające, w zależności od przypadku..
I mamy ten szczegół, który pochodzi z powyższego: wszystkie obiekty spadające swobodnie mają takie samo przyspieszenie, o ile znajdują się blisko powierzchni Ziemi..
Ale jeśli na przykład uwolnimy proton i elektron w pobliżu naładowanej płaszczyzny, elektron będzie miał znacznie większe przyspieszenie niż proton. Ponadto przyspieszenia będą miały przeciwne kierunki.
Wreszcie ładunek elektryczny jest kwantowany, tak jak powiedziano. Oznacza to, że możemy znaleźć ładunki 2,3 lub 4 razy większe od ładunku elektronu lub protonu, ale nigdy nie 1,5 razy większe od ładunku. Z drugiej strony masy nie są wielokrotnościami jakiejś unikalnej masy.
W świecie cząstek subatomowych siła elektryczna przewyższa siłę grawitacyjną pod względem wielkości. Jednak w skalach makroskopowych dominuje siła grawitacji. Gdzie? Na poziomie planet, układu słonecznego, galaktyki i nie tylko.
Jeszcze bez komentarzy