ТОЧЕЧНЫЙ ЗАРЯД: СВОЙСТВА И ЗАКОН КУЛОНА - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Точечный заряд , в контексте электромагнетизма, является то , что электрический заряд таких малых размеров , что его можно считать точкой. Например, элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом, протон и электрон, настолько малы, что их размеры можно не указывать во многих приложениях. Учет того, что заряд является точечно-ориентированным, значительно упрощает вычисление его взаимодействий и понимание электрических свойств материи.

Точечными зарядами могут быть не только элементарные частицы. Это также могут быть ионизированные молекулы, заряженные сферы, которые Чарльз А. Кулон (1736–1806) использовал в своих экспериментах, и даже сама Земля. Все можно считать точечными зарядами, если мы видим их на расстояниях, намного превышающих размер объекта.

Рис. 1. Точечные заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а противоположного - притягиваются. Источник: Wikimedia Commons.

Поскольку все тела состоят из элементарных частиц, электрический заряд является неотъемлемым свойством материи, как и масса. Вы не можете иметь электрон без массы, а также без заряда.

свойства

Насколько нам известно сегодня, существует два типа электрического заряда: положительный и отрицательный. Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны - положительный.

Заряды одного знака отталкивают, а противоположного - притягивают. Это справедливо для любого типа электрического заряда, точечного или распределенного по объекту измеримых размеров.

Более того, тщательные эксперименты показали, что заряд протона и электрона имеет одинаковую величину.

Еще один очень важный момент, который следует учитывать, - это квантование электрического заряда. На сегодняшний день не обнаружено изолированных электрических зарядов величиной меньше заряда электрона. Все они кратны этому.

Наконец, электрический заряд сохраняется. Другими словами, электрический заряд не создается и не разрушается, но он может передаваться от одного объекта к другому. Таким образом, если система изолирована, общая нагрузка остается постоянной.

Единицы электрического заряда

Единицей измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) является кулон, обозначаемый с большой буквы, в честь Чарльза А. Кулона (1736-1806 гг.), Открывшего закон, носящий его имя и описывающий взаимодействие. между двумя точечными зарядами. Об этом поговорим позже.

Электрический заряд электрона, который является минимально возможным, изолированным в природе, имеет величину:

Кулон - довольно большая единица, поэтому часто используются подмножители:

И, как мы упоминали ранее, знак е ^- отрицательный. Заряд на протоне точно такой же, но с положительным знаком.

Знаки условны, то есть существует два типа электричества, и необходимо их различать, поэтому одному присваивается знак (-), а другому знак (+). Бенджамин Франклин сделал это обозначение, а также провозгласил принцип сохранения заряда.

Ко времени Франклина внутренняя структура атома все еще была неизвестна, но Франклин заметил, что стеклянный стержень, натертый шелком, стал электрически заряженным, назвав этот вид электричества положительным.

Любой объект, притянутый указанным электричеством, имел отрицательный знак. После того, как электрон был обнаружен, было замечено, что заряженный стеклянный стержень притягивает их, и таким образом заряд электрона стал отрицательным.

Закон Кулона для точечных зарядов

В конце 18 века Кулон, инженер французской армии, долго изучал свойства материалов, силы, действующие на балки, и силу трения.

Но лучше всего его помнят за закон, носящий его имя и описывающий взаимодействие между двумя точечными электрическими зарядами.

Пусть будет два электрических заряда q ₁ и q ₂ . Кулон определил, что сила между ними, сила притяжения или отталкивания, прямо пропорциональна произведению обоих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Математически:

В этом уравнении F представляет величину силы, а r - расстояние между зарядами. Равенство требует постоянной пропорциональности, которая называется электростатической постоянной и обозначается как k _e .

Таким образом:

Кроме того, Кулон обнаружил, что сила была направлена ​​вдоль линии, соединяющей заряды. Итак, если r - единичный вектор вдоль указанной линии, закон Кулона как вектор:

Применение закона Кулона

Кулон использовал в своих экспериментах устройство, называемое торсионными весами. С его помощью можно было установить значение электростатической постоянной в:

Далее мы увидим приложение. Три точечные нагрузки взяты Q _A , Q , _B Q _C , которые находятся в положении , показанном на рисунке 2. расчета чистой силы на кв _B .

Рис. 2. Сила, действующая на отрицательный заряд, рассчитывается с использованием закона Кулона. Источник: Ф. Сапата.

Заряд q _A притягивает заряд q _B , потому что они имеют противоположные знаки. То же самое можно сказать и о д _С . Схема изолированного тела представлена ​​на рисунке 2 справа, на котором видно, что обе силы направлены вдоль вертикальной оси или оси y и имеют противоположные направления.

Суммарная сила заряда q _B составляет:

F _R = F _AB + F _CB (принцип суперпозиции)

Осталось только подставить числовые значения, позаботившись о том, чтобы все единицы были записаны в Международной системе (СИ).

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

Гравитация и электричество

Эти две силы имеют одинаковую математическую форму. Конечно, они различаются величиной постоянной пропорциональности и тем, что гравитация работает с массами, а электричество работает с зарядами.

Но важно то, что оба значения зависят от обратной величины квадрата расстояния.

Существует уникальный тип массы, и он считается положительным, поэтому сила гравитации всегда притягивает, а заряды могут быть положительными или отрицательными. По этой причине электрические силы могут быть притягивающими или отталкивающими, в зависимости от случая.

И у нас есть деталь, вытекающая из вышеизложенного: все объекты в свободном падении имеют одинаковое ускорение, пока они находятся близко к поверхности Земли.

Но если, например, мы выпустим протон и электрон около заряженной плоскости, электрон будет иметь гораздо большее ускорение, чем протон. Кроме того, ускорения будут иметь противоположные направления.

Наконец, электрический заряд квантуется, как и было сказано. Это означает, что мы можем найти заряды в 2,3 или 4 раза больше заряда электрона или протона, но никогда не в 1,5 раза больше этого заряда. С другой стороны, массы не кратны какой-то одной массе.

В мире субатомных частиц электрическая сила превышает гравитационную. Однако в макроскопических масштабах сила тяжести является преобладающей. Куда? На уровне планет, солнечной системы, галактики и многого другого.

Ссылки

1. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 5. Электростатика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
2. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. Шестой. Эд Прентис Холл.
3. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6-е сокращенное издание. Cengage Learning.
4. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
5. Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. Четырнадцатое. Издание V 2.