PUNKTAVGIFT: EIENDOMMER OG COULOMBS LOV - FYSISK - 2025

En poengladning , i sammenheng med elektromagnetisme, er at elektrisk ladning med så små dimensjoner at det kan betraktes som et poeng. For eksempel er elementære partikler som har en elektrisk ladning, protonet og elektronet, så små at dimensjonene deres kan utelates i mange bruksområder. Når man vurderer at en ladning er poengorientert, gjør jobben med å beregne interaksjonene og forstå materiens elektriske egenskaper mye enklere.

Elementære partikler er ikke de eneste som kan være poengladninger. De kan også være ioniserte molekyler, de ladede kulene som Charles A. Coulomb (1736-1806) brukte i sine eksperimenter og til og med jorden selv. Alle kan betraktes som punktladninger, så lenge vi ser dem på avstander som er mye større enn objektets størrelse.

Figur 1. Punktladninger av det samme skiltet avviser hverandre, mens de med det motsatte tegnet tiltrekker seg. Kilde: Wikimedia Commons.

Siden alle legemer er laget av elementære partikler, er elektrisk ladning en iboende egenskap til materie, akkurat som masse. Du kan ikke ha et elektron uten masse, og heller ikke uten lading.

Egenskaper

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

Gebyrer av samme skilt frastøter, mens de med motsatt skilt tiltrekker seg. Dette gjelder for alle typer elektrisk ladning, enten punktlig eller distribuert over et objekt med målbare dimensjoner.

Videre fant forsiktige eksperimenter at ladningen på protonet og elektronet har nøyaktig samme størrelse.

Et annet veldig viktig poeng å vurdere er at den elektriske ladningen er kvantifisert. Til dags dato har det ikke blitt funnet noen isolerte elektriske ladninger i en størrelsesorden mindre enn ladningen til elektronet. De er alle flere av dette.

Endelig er den elektriske ladningen bevart. Med andre ord, elektrisk ladning blir verken opprettet eller ødelagt, men den kan overføres fra en gjenstand til en annen. På denne måten, hvis systemet er isolert, forblir den totale belastningen konstant.

Enheter med elektrisk ladning

Enheten for elektrisk ladning i International System of Units (SI) er Coulomb, forkortet med en hovedstad C, til ære for Charles A. Coulomb (1736-1806), som oppdaget loven som bærer hans navn og beskriver samspillet mellom to poengladninger. Vi vil snakke om det senere.

Elektronisk ladning av elektronet, som er den minste mulige som kan isoleres i naturen, har en størrelse på:

Coulomb er en ganske stor enhet, så submultipler brukes ofte:

Og som vi nevnte før, tegnet på e ^- er negativt. Ladningen på protonet har nøyaktig samme størrelse, men med et positivt tegn.

Skiltene er et spørsmål om konvensjon, det vil si at det er to typer strøm, og det er nødvendig å skille dem, derfor er det ene tilordnet et skilt (-) og det andre tegnet (+). Benjamin Franklin gjorde denne betegnelsen, og forklarte også prinsippet om bevaring av lading.

På Franklins tid var atomenets indre struktur fremdeles ukjent, men Franklin hadde observert at en stang av glass gnidd med silke ble elektrisk ladet, og kalte denne typen elektrisitet positiv.

Ethvert objekt som ble tiltrukket av nevnte elektrisitet hadde et negativt tegn. Etter at elektronet ble oppdaget, ble det observert at den ladede glassstangen tiltrakk seg, og slik ble elektronladningen negativ.

Coulombs lov for poenganklager

På slutten av 1700-tallet brukte Coulomb, ingeniør i den franske hæren, mye tid på å studere egenskapene til materialer, styrkene som virket på bjelkene og friksjonskraften.

Men han huskes best for loven som bærer navnet hans og som beskriver samspillet mellom topunkts elektriske ladninger.

La være to elektriske ladninger q ₁ og q ₂ . Coulomb bestemte at kraften mellom dem, enten tiltrekning eller frastøtning, var direkte proporsjonal med produktet fra begge ladningene, og omvendt proporsjonal med kvadratet for avstanden mellom dem.

matematisk:

I denne ligningen representerer F størrelsen på kraften og r er avstanden mellom ladningene. Likhet krever en konstant av proporsjonalitet, som kalles den elektrostatiske konstanten og betegnes som k _e .

Og dermed:

Videre fant Coulomb at styrken ble rettet langs linjen som forbinder ladningene. Så hvis r er enhetsvektoren langs linjen, er Coulombs lov som vektor:

Anvendelse av Coulombs lov

Coulomb brukte en enhet som ble kalt en torsjonsbalanse for sine eksperimenter. Gjennom det var det mulig å fastslå verdien av den elektrostatiske konstanten i:

Neste gang vil vi se en applikasjon. Tre punktbelastninger blir tatt q _A , q _B q _C, som er i de stillinger som er vist på figur 2. Beregn netto kraft på q _B .

Figur 2. Kraften på den negative ladningen beregnes ved å bruke Coulombs lov. Kilde: F. Zapata.

Avgiften q _A tiltrekker ladning q _B , fordi de har motsatt fortegn. Det samme kan sies om q _C . Det isolerte kroppsskjemaet er i figur 2 til høyre, der det er observert at begge kreftene er rettet langs den vertikale aksen eller y-aksen, og har motsatte retninger.

Nettokraften på ladningen q _B er:

F _R = F _AB + F _CB (prinsippet om superposisjon)

Det gjenstår bare å erstatte de numeriske verdiene, og passe på å skrive alle enhetene i det internasjonale systemet (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 strøm

Disse to kreftene har samme matematiske form. Selvfølgelig skiller de seg i verdien av proporsjonalitetskonstanten og ved at tyngdekraften fungerer med masser, mens elektrisitet fungerer med ladninger.

Men det viktige er at begge er avhengige av invers av kvadratet til avstanden.

Det er en unik type masse, og den anses som positiv, så tyngdekraften er alltid attraktiv, mens ladningene kan være positive eller negative. Av denne grunn kan de elektriske kreftene være attraktive eller frastøtende, avhengig av saken.

Og vi har denne detaljene som er avledet fra det ovenstående: alle gjenstander i fritt fall har den samme akselerasjonen, så lenge de er nær jordoverflaten.

Men hvis vi slipper et proton og et elektron i nærheten av et ladet plan, for eksempel, vil elektronet ha en mye større akselerasjon enn protonet. Videre vil akselerasjonene ha motsatte retninger.

Endelig blir den elektriske ladningen kvantifisert, akkurat som sagt. Det betyr at vi kan finne ladninger 2,3 eller 4 ganger så mye som elektronen eller protonen, men aldri 1,5 ganger denne ladningen. Massene er derimot ikke multipler av en eller annen enkelt masse.

I en verden av subatomære partikler overstiger den elektriske kraften den tyngdekraften som er i styrke. På makroskopiske skalaer er imidlertid tyngdekraften den dominerende. Hvor? På planetenivå, solsystemet, galaksen og mer.

referanser

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 5. Elektrostatikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjette. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortede utgave. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14.. Utg. V 2.