PISTEVARAUS: OMINAISUUDET JA COULOMBIN LAKI - FYYSINEN - 2025

Pisteveloitus, yhteydessä sähkömagneettinen on, että sähkövaraus, tällaisten pienten mittojen, että se voidaan pitää pisteen. Esimerkiksi elementtihiukkaset, joissa on sähkövaraus, protoni ja elektroni, ovat niin pieniä, että niiden mitat voidaan jättää pois monissa sovelluksissa. Kun otetaan huomioon, että varaus on pistekeskeistä, laskee sen vuorovaikutukset ja ymmärrät aineen sähköiset ominaisuudet huomattavasti helpommin.

Alkuainehiukkaset eivät ole ainoita, jotka voivat olla pistevarauksia. Ne voivat olla myös ionisoituja molekyylejä, varautuneita palloja, joita Charles A. Coulomb (1736-1806) käytti kokeiluissaan, ja jopa itse maata. Kaikkia voidaan pitää pistevarauksina, kunhan näemme ne etäisyydellä, joka on paljon suurempi kuin kohteen koko.

Kuva 1. Saman merkin pistevaraukset hylkivät toisiaan, kun taas vastakkaisen merkin punnat houkuttelevat. Lähde: Wikimedia Commons.

Koska kaikki rungot ovat alkuainehiukkasia, sähkövaraus on aineen luontainen ominaisuus, samoin kuin massa. Et voi olla elektronia ilman massaa, eikä myöskään ilman latausta.

ominaisuudet

Sikäli kuin tiedämme tänään, sähkövarauksia on kahta tyyppiä: positiivinen ja negatiivinen. Elektroneilla on negatiivinen varaus, kun taas protoneilla on positiivinen varaus.

Saman merkin maksut torjuvat, kun taas vastakkaisen merkin maksut houkuttelevat. Tämä pätee kaikentyyppisiin sähkövarauksiin, joko täsmällisiä tai jakautuneita mitattavissa olevien esineiden yli.

Lisäksi huolellisissa kokeissa havaittiin, että protonin ja elektronin varauksella on täsmälleen sama voimakkuus.

Toinen erittäin tärkeä huomioitava seikka on, että sähkövaraus kvantisoidaan. Tähän mennessä ei ole löydetty erillisiä sähkövarauksia, jotka ovat pienempiä kuin elektronin varaus. He kaikki ovat tämän kerrannaisia.

Viimeinkin sähkövaraus säilyy. Toisin sanoen sähkövarausta ei luoda eikä tuhota, mutta se voidaan siirtää esineestä toiseen. Tällä tavoin, jos järjestelmä on eristetty, kokonaiskuorma pysyy vakiona.

Sähkövarauksen yksiköt

Kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) sähkövarausyksikkö on Coulomb, lyhennetty pääkaupungilla C, Charles A. Coulombin (1736-1806) kunniaksi. Hän löysi lain, joka hänen nimensä kantaa ja kuvaa vuorovaikutusta. kahden pistelaskutuksen välillä. Puhumme siitä myöhemmin.

Elektronin sähkövarauksella, joka on pienin mahdollinen, joka luonnossa voidaan eristää, on voimakkuus:

Coulomb on melko suuri yksikkö, joten usein käytetään osaosia:

Ja kuten aiemmin mainittiin, merkki E ^- on negatiivinen. Protonin varauksella on täsmälleen sama voimakkuus, mutta positiivisella merkillä.

Merkit ovat tavanomaisia ​​asioita, ts. Sähkötyyppejä on kahta tyyppiä ja ne on tarpeen erottaa, siksi yhdelle on annettu merkki (-) ja toiselle (+). Benjamin Franklin nimitti tämän nimityksen ja kertoi myös varauksen säilymisen periaatteesta.

Franklinin aikoihin asti atomin sisäinen rakenne oli vielä tuntematon, mutta Franklin oli havainnut, että silkillä hierottu lasitanko tuli sähkövaraavaksi, kutsuen tällaista sähköä positiiviseksi.

Kaikilla esineillä, jotka mainitut sähköä houkuttelivat, oli negatiivinen merkki. Sen jälkeen kun elektroni oli löydetty, havaittiin, että varautunut lasitanko houkutteli heitä, ja näin elektronivaraus muuttui negatiiviseksi.

Coulombin laki pistemaksuista

1700-luvun lopulla Ranskan armeijan insinööri Coulomb vietti paljon aikaa materiaalien ominaisuuksien, palkeihin vaikuttavien voimien ja kitkavoiman tutkimiseen.

Mutta hänet muistetaan parhaiten laista, joka käyttää hänen nimeään ja joka kuvaa kahden pisteen sähkövarauksen vuorovaikutusta.

Annetaan olla kaksi sähkövarausta q ₁ ja q ₂. Coulomb määritti, että niiden välinen voima, joko vetovoima tai vastenmielisyys, oli suoraan verrannollinen kummankin varauksen tulokseen ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.

matemaattisesti:

Tässä yhtälössä F edustaa voiman suuruutta ja r on varausten välinen etäisyys. Tasa-arvo vaatii suhteellisuusvakion, jota kutsutaan sähköstaattiseksi vakiona ja jota kutsutaan k _e.

Täten:

Lisäksi Coulomb havaitsi, että voima oli suunnattu latauksia yhdistävälle linjalle. Joten jos r on yksikkövektori mainittua viivaa pitkin, Coulombin laki vektorina on:

Coulombin lain soveltaminen

Coulomb käytti kokeissaan laitetta, jota kutsuttiin vääntötasapainoksi. Sen avulla oli mahdollista määrittää sähköstaattisen vakion arvo:

Seuraavaksi näemme sovelluksen. Kolme pistekuormia otetaan q, q _B q _C, jotka ovat asemissa on esitetty kuviossa 2. laske net voimaan q _B.

Kuva 2. Negatiiviseen varaukseen kohdistuva voima lasketaan käyttämällä Coulombin lakia. Lähde: F. Zapata.

Lataus q _A houkuttelee latausta q _B, koska niillä on vastakkaiset merkit. Samaa voidaan sanoa q _{C: stä}. Eristetty runkokaavio on kuvassa 2 oikealla, jossa havaitaan, että molemmat voimat on suunnattu pystyakselia tai y-akselia pitkin ja joilla on vastakkaiset suunnat.

Nettovoima varauksessa q _B on:

F _R = F _AB + F _CB (superpositioperiaate)

Jääe vain korvata numeeriset arvot huolellisesti kirjoittamalla kaikki yksiköt kansainväliseen järjestelmään (SI).

F _AB = 9,0 x 10 ⁹ x 1 x 10 ^-9 x 2 x 10 ^-9 / (2 x 10 ^-2) ² N (+ y) = 0,000045 (+ y) N

F _CB = 9,0 x 10 ⁹ x 2 x 10 ^-9 x 2 x 10 ^-9 / (1 x 10 ^-2) ² N (- y) = 0,00036 (- y) N

F _R = F _AB + F _CB = 0,000045 (+ y) + 0,00036 (- y) N = 0,000315 (- y) N

Painovoima ja sähkö

Näillä kahdella voimalla on sama matemaattinen muoto. Ne tietysti eroavat toisistaan ​​suhteellisuusvakion arvossa ja siinä, että painovoima toimii massojen kanssa, kun taas sähkö toimii varauksin.

Mutta tärkeätä on, että molemmat riippuvat etäisyyden neliön käänteisestä.

Massa on ainutlaatuinen ja sitä pidetään positiivisena, joten painovoima on aina houkutteleva, kun taas varaukset voivat olla positiivisia tai negatiivisia. Tästä syystä sähkövoimat voivat olla houkuttelevia tai vastenmielisiä tapauksesta riippuen.

Ja meillä on tämä yksityiskohta, joka on johdettu yllä olevasta: kaikilla vapaalla pudotuksella olevilla esineillä on sama kiihtyvyys, kunhan ne ovat lähellä Maan pintaa.

Mutta jos vapautamme esimerkiksi protonin ja elektronin lähellä varautunutta tasoa, elektronilla on paljon suurempi kiihtyvyys kuin protonilla. Lisäksi kiihdytyksillä on vastakkaiset suunnat.

Lopuksi, sähkövaraus kvantisoidaan, kuten sanottiin. Tämä tarkoittaa, että voimme löytää varauksia 2,3 tai 4 kertaa elektroneista tai protonien varauksista, mutta emme koskaan 1,5 kertaa tätä varausta. Massa sitä vastoin ei ole jonkin yksittäisen massan kerrannainen.

Subatomisten hiukkasten maailmassa sähköinen voima ylittää painovoiman. Makroskooppisissa vaa'oissa painovoima on kuitenkin hallitseva. Missä? Planeettien, aurinkokunnan, galaksin ja muiden tasolla.

Viitteet

1. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 5. Sähköstatiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. Kuudes lyhennetty painos. Cengagen oppiminen.
4. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14th. Toimitus V 2.