PUNKTAFGIFT: EGENSKABER OG COULOMBS LOV - FYSISK - 2024

Et punkt ladning, inden for rammerne af elektromagnetisme, er, at elektrisk ladning af så små dimensioner, at den kan betragtes et punkt. For eksempel er elementære partikler, der har en elektrisk ladning, protonen og elektronet, så små, at deres dimensioner kan udelades i mange anvendelser. I betragtning af at en ladning er punktorienteret gør jobbet med at beregne dets interaktioner og forstå materiens elektriske egenskaber meget lettere.

Elementære partikler er ikke de eneste, der kan være punktladninger. De kan også være ioniserede molekyler, de ladede sfærer, som Charles A. Coulomb (1736-1806) anvendte i hans eksperimenter og endda jorden selv. Alle kan betragtes som punktladninger, så længe vi ser dem i afstande, der er langt større end objektets størrelse.

Figur 1. Punktladninger af det samme tegn frastøder hinanden, mens dem med det modsatte tegn tiltrækker. Kilde: Wikimedia Commons.

Da alle kroppe er lavet af elementære partikler, er elektrisk ladning en iboende egenskab ved materie, ligesom masse. Du kan ikke have et elektron uden masse og heller ikke uden opladning.

Ejendomme

Så vidt vi ved i dag, er der to typer elektrisk ladning: positiv og negativ. Elektroner har en negativ ladning, mens protoner har en positiv ladning.

Gebyrer af det samme skilt frastød, mens det med det modsatte tegn tiltrækker. Dette gælder for enhver form for elektrisk ladning, enten punktlig eller distribueret over et objekt med målelige dimensioner.

Desuden fandt omhyggelige eksperimenter, at ladningen på protonet og elektronet har nøjagtigt samme størrelse.

Et andet meget vigtigt punkt at overveje er, at den elektriske ladning kvantificeres. Indtil videre er der ikke fundet nogen isolerede elektriske ladninger i en størrelsesorden mindre end ladningen af ​​elektronet. De er alle multipla af dette.

Endelig bevares den elektriske ladning. Med andre ord oprettes eller ødelægges ikke elektrisk ladning, men det kan overføres fra et objekt til et andet. På denne måde, hvis systemet er isoleret, forbliver den samlede belastning konstant.

Enheder med elektrisk ladning

Enheden til elektrisk ladning i det internationale system af enheder (SI) er Coulomb, forkortet med en hovedstad C, til ære for Charles A. Coulomb (1736-1806), der opdagede loven, der bærer hans navn og beskriver interaktionen mellem to punktsafgifter. Vi vil tale om det senere.

Elektronisk ladning af elektronet, som er den mindste mulige, der kan isoleres i naturen, har en størrelse:

Coulomb er en ganske stor enhed, så submultiples bruges ofte:

Og som vi nævnte før, er tegnet på e ^- negativt. Opladningen på protonen har nøjagtigt samme størrelse, men med et positivt tegn.

Skiltene er et spørgsmål om konvention, det vil sige, der er to typer elektricitet, og det er nødvendigt at skelne mellem dem, derfor tildeles den ene et tegn (-) og det andet tegn (+). Benjamin Franklin lavede denne betegnelse og udtalte også princippet om bevaring af ladningen.

På Franklins tid var atomets indre struktur stadig ukendt, men Franklin havde observeret, at en stang af glas gniddet med silke blev elektrisk ladet, hvilket kaldte denne slags elektricitet positiv.

Ethvert objekt, der blev tiltrukket af den nævnte elektricitet, havde et negativt tegn. Efter at elektronet blev opdaget, blev det observeret, at den ladede glasstang tiltrækkede dem, og sådan blev elektronladningen negativ.

Coulombs lov for punktafgifter

I slutningen af ​​det 18. århundrede brugte Coulomb, en ingeniør i den franske hær, lang tid på at studere materialernes egenskaber, kræfterne, der virker på bjælkerne og friktionskraften.

Men han huskes bedst for den lov, der bærer hans navn, og som beskriver samspillet mellem to-punkts elektriske ladninger.

Lad være to elektriske ladninger q ₁ og q ₂. Coulomb bestemte, at kraften mellem dem, enten tiltrækning eller frastødelse, var direkte proportional med produktet fra begge ladninger og omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem dem.

matematisk:

I denne ligning repræsenterer F størrelsen af ​​kraften, og r er afstanden mellem ladningerne. Ligestilling kræver en konstant af proportionalitet, der kaldes den elektrostatiske konstant og betegnes som k _e.

Dermed:

Desuden fandt Coulomb, at styrken var rettet langs linjen, der forbinder ladningerne. Så hvis r er enhedsvektoren langs linjen, er Coulombs lov som en vektor:

Anvendelse af Coulombs lov

Coulomb brugte en enhed kaldet en torsionsbalance til sine eksperimenter. Gennem det var det muligt at bestemme værdien af ​​den elektrostatiske konstant i:

Derefter ser vi en ansøgning. Tre punktbelastninger er taget q _A, q _B q _C der er i positionerne vist i figur 2. beregne den resulterende kraft på q _B.

Figur 2. Kraften på den negative ladning beregnes ved hjælp af Coulombs lov. Kilde: F. Zapata.

Den ladning q _A tiltrækker ladning q _B, fordi de har modsat fortegn. Det samme kan siges om q _C. Det isolerede kropsdiagram er i figur 2 til højre, hvor det observeres, at begge kræfter er rettet langs den lodrette akse eller y-aksen og har modsatte retninger.

Nettokraften på ladning q _B er:

F _R = F _AB + F _CB (princip om superposition)

Det er kun tilbage at erstatte de numeriske værdier, idet man sørger for at skrive alle enhederne i det internationale system (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

Tyngdekraft og elektricitet

Disse to kræfter har den samme matematiske form. Naturligvis adskiller de sig i værdien af ​​proportionalitetskonstanten og ved at tyngdekraften fungerer med masser, mens elektricitet fungerer med ladninger.

Men det vigtige er, at begge er afhængige af det inverse af afstanden.

Der er en unik type masse, og den betragtes som positiv, så tyngdekraften er altid attraktiv, mens ladningerne kan være positive eller negative. Af denne grund kan de elektriske kræfter være attraktive eller frastødende, afhængigt af tilfældet.

Og vi har denne detalje, der er afledt af ovenstående: alle objekter i frit fald har den samme acceleration, så længe de er tæt på jordoverfladen.

Men hvis vi for eksempel frigiver en proton og et elektron i nærheden af ​​et ladet plan, vil elektronet have en meget større acceleration end protonen. Yderligere vil accelerationerne have modsatte retninger.

Endelig kvantificeres den elektriske ladning, ligesom sagt. Det betyder, at vi kan finde ladninger, der er 2,3 eller 4 gange, for elektronen eller protonen, men aldrig 1,5 gange denne ladning. Masserne er på den anden side ikke multipla af en enkelt masse.

I en verden af ​​subatomære partikler overstiger den elektriske kraft den tyngdekraft, der er i størrelse. På makroskopiske skalaer er tyngdekraften dog den dominerende. Hvor? På planeteniveau, solsystemet, galaksen og mere.

Referencer

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Volumen 5. Elektrostatik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6. forkortede udgave. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14th. Ed. V 2.