Punktliga belastningsegenskaper och coulomb -lag

En Punktlig belastning, I samband med elektromagnetism är det den elektriska laddningen av så små dimensioner, som kan betraktas som en punkt. Till exempel är elementära partiklar som har elektrisk laddning, proton och elektron, så små att deras dimensioner kan utelämnas i många applikationer. Tänk på att en belastning är punktlig underlättar arbetet med att beräkna dess interaktioner och förstå de elektriska egenskaperna hos saken.

Elementära partiklar är inte de enda som kan vara specifika belastningar. De joniserade molekylerna kan också vara, de laddade sfärerna som Charles brukade. Coulomb (1736-1806) i sina experiment och till och med samma land. Alla kan betraktas som specifika belastningar, så länge vi ser dem på avstånd som är mycket större än objektets storlek.

Figur 1. De specifika belastningarna på samma tecken avvisas, medan det motsatta tecknet lockas. Källa: Wikimedia Commons.

Eftersom alla kroppar är gjorda av elementära partiklar är elektrisk laddning en inneboende egenskap av materia, precis som massa. Du kan inte ha en elektron utan massa och varken utan belastning.

[TOC]

Egenskaper

Så vitt vi vet idag finns det två typer av elektrisk laddning: positiva och negativa. Elektronerna har en negativ typbelastning, medan protonerna har det positiva.

Massor av samma tecken avvisas, medan det motsatta tecknet lockas. Detta är giltigt för alla typer av elektrisk laddning, antingen punktlig eller distribuerad över ett objekt med mätbara dimensioner.

Dessutom fann noggranna experiment att protonbelastningen och elektronen har exakt samma storlek.

En annan mycket viktig punkt att tänka på är att den elektriska laddningen kvantiseras. Hittills har isolerade elektriska belastningar inte hittats mindre än elektronbelastningen. Alla är multiplar av detta.

Slutligen bevaras den elektriska laddningen. Med andra ord skapas inte den elektriska laddningen och förstörs inte heller, men den kan överföras från ett objekt till ett annat. På detta sätt, om systemet är isolerat, förblir den totala belastningen konstant.

Kan tjäna dig: 21 viktiga händelser i fysik

Elektriska laddningsenheter

Enheten för elektrisk laddning i det internationella systemet med enheter (SI) är Coulomb, förkortad med ett kapital C, till hedern för Charles till. Coulomb (1736-1806), som upptäckte lagen som bär hans namn och beskriver samspelet mellan två specifika anklagelser. Senare kommer vi att prata om henne.

Den elektroniska elektriska laddningen, som är den minsta möjliga som kan isoleras i naturen, har en storlek på:

och^- = 1.6 x 10 ^-16 C

Coulomb är en ganska stor enhet, så submultiples används ofta:

-1 mil c = 1 mc = 1 x 10^-3 C

-1 mikro c = 1 μC = 1 x 10^-6 C

-1 nano c = 1 nc = 1 x 10^-9 C

Och som vi har nämnt tidigare, tecknet på och^- Det är negativt. Protonbelastningen har exakt samma storlek, men med ett positivt tecken.

Skyltarna är en fråga om konvention, det vill säga det finns två typer av el och det är nödvändigt att skilja dem, därför tilldelas en skylt (-) och det andra tecknet (+). Benjamin Franklin gjorde denna beteckning och uttalade också belastningsprincipen.

Under Franklins tid var atomens inre struktur fortfarande okänd, men Franklin hade observerat att en silke gnuggade glasstång var elektriskt laddad och kallade denna typ av elektricitet positiv.

Alla objekt som lockades till sådan el, hade ett negativt tecken. Efter att elektronen upptäcktes observerades det att den laddade glasstången lockade dem, och det är så elektronbelastningen var negativ.

Coulomb Law för specifika belastningar

I slutet av 1700 -talet ägnade Coulomb, en ingenjör för den franska armén, mycket tid för att studera materialsegenskaperna, de krafter som verkar på balkarna och friktionskraften.

Men det minns mer av lagen som bär hans namn och beskriver samspelet mellan två specifika elektriska laddningar.

Kan tjäna dig: Magnetism: Magnetiska egenskaper hos material, användning

Låt två elektriska avgifter q₁ och q₂. Coulomb bestämde att kraften mellan dem, redan av attraktion eller avvisande, var direkt proportionell mot produkten från båda laddningarna och omvänt proportionell mot kvadratet på avståndet mellan dem.

Matematiskt:

F∝ q₁ . q₂ / r²

I denna ekvation, F representerar kraftens storlek och r Det är avståndet som skiljer belastningarna. Jämställdhet kräver en konstant av proportionalitet, som kallas elektrostatisk konstant och betecknas som k_och.

Således:

F = k. q₁ . q₂ /r²

Coulomb fann också att styrkan riktades längs linjen som förenar lasterna. I så fall, ja r Det är enhetsvektorn längs den linjen, Coulombs lag som vektor är:

 Denna form av Coulomb -lagen gäller endast för specifika belastningar.

Tillämpning av Coulomb -lagen 

Coulomb använde en enhet som heter Torsionsbalans För dina experiment. Genom det kan värdet på den elektrostatiska konstanten fastställas i:

k_och = 8.99 x 10⁹ N m²/C² ≈ 9.0 x 10⁹ N m²/C²

Nästa kommer vi att se en ansökan. Du har tre specifika belastningar som_TILL, q_B och q_C finns i de positioner som anges i figur 2. Låt oss beräkna nettokraften på Q_B.

figur 2. Kraften på den negativa belastningen beräknas genom Coulombs lag. Källa: f. Zapata.

Belastningen q_TILL lockar lasten q_B, Eftersom de är motsatta tecken. Detsamma kan sägas om Q_C. Det isolerade kroppsdiagrammet finns i figur 2 till höger, som visar att båda krafterna riktas längs den vertikala axeln eller y -axeln, och har motsatta sinnen.

Nettokraften på lasten q_B är:

F_R = F_Ab + F_CB (Superposition Princip)

Det återstår bara att ersätta numeriska värden och se till att skriva alla enheter i det internationella systemet (SI).

F_Ab = 9.0 x 10⁹ x 1 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (2 x 10^-2) ² N (+och) = 0.000045 (+och) N

F_CB = 9.0 x 10⁹ x 2 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (1 x 10^-2) ² N (-och) = 0.00036 (-och) N

F_R = F_Ab + F_CB = 0.000045 (+och) + 0.00036 (-och) N = 0.000315 (-och) N

Tyngdkraft och el

Dessa två krafter har samma matematiska form. Naturligtvis skiljer de sig i värdet på proportionalitetskonstanten och där tyngdkraften arbetar med massor, medan el gör det med belastningar.

Kan tjäna dig: dynamik i ett partikelsystem: exempel, övningar

Men det viktiga är att båda beror på det omvända till avståndets kvadrat.

Det finns en unik typ av massa och anses vara positiv, så gravitationskraften lockar alltid, medan laddningar kan vara positiva eller negativa. Därför kan elektriska krafter vara attraktion eller avvisande, som fallet.

Och vi har denna detalj som härstammar från ovanstående: alla föremål i fritt fall har samma acceleration, medan de är nära jordens yta.

Men om vi släpper en proton och en elektron nära ett laddat plan, till exempel, kommer elektronen att ha en mycket större acceleration än protonen för protonen. Dessutom kommer accelerationer att ha motsatta sinnen.

Slutligen kvantiseras den elektriska laddningen. Det betyder att vi kan hitta laster 2,3 eller 4 gånger den för elektronen -eller den för protonen -men aldrig 1.5 gånger denna last. Massorna är istället inte multiplar av någon unik massa.

I världen av subatomära partiklar överskrider elektrisk kraft gravitationsstorleken. Men vid makroskopiska skalor är tyngdkraften den som dominerar. Var? På planets, solsystemet, galaxen och mer.

Referenser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 5. Elektrostatik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principer med applikationer. Sjätte. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, l. 2007. Fysik: En titt på världen. 6: e förkortade upplagan. Cengage Learning.
4. Riddare, r. 2017. Fysik för forskare och teknik: En strategistrategi. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med modern fysik. 14th. Ed. V 2.