- Tulajdonságok
- Az elektromos töltés egységei
- Coulomb törvénye a pontdíjakról
- A Coulomb-törvény alkalmazása
- Gravitáció és elektromosság
- Irodalom
A pont töltés az elektromágnesesség összefüggésében olyan kicsi elektromos töltés, hogy pontnak tekinthető. Például az elektromos töltéssel rendelkező elemi részecskék, a proton és az elektron annyira kicsik, hogy méretüket sok alkalmazásban el lehet hagyni. Ha úgy vesszük, hogy egy töltés pontorientált, sokkal könnyebb lesz kiszámítani az interakciókat és megérteni az anyag elektromos tulajdonságait.
Az elemi részecskék nem csak azok, amelyek pont töltések lehetnek. Lehetnek ionizált molekulák, a töltött gömbök, amelyeket Charles A. Coulomb (1736-1806) használt a kísérleteiben, és akár maga a Föld is. Mindegyik pont töltésnek tekinthető, mindaddig, amíg sokkal nagyobb távolságra látjuk őket, mint az objektum mérete.
1. ábra: Ugyanazon jel ponttöltései visszaszorítják egymást, míg az ellenkező jelek vonzzák. Forrás: Wikimedia Commons.
Mivel az összes test elemi részecskékből készül, az elektromos töltés az anyag velejáró tulajdonsága, akárcsak a tömeg. Nem lehet elektronja tömeg nélkül, és töltés nélkül sem.
Tulajdonságok
A mai tudásunk szerint kétféle elektromos töltés létezik: pozitív és negatív. Az elektronok negatív töltésűek, míg a protonok pozitív töltésűek.
Ugyanazon jel díjai visszatérnek, míg az ellenkező jel díjai vonzódnak. Ez bármilyen típusú elektromos töltésre érvényes, akár pontosan, akár egy mérhető méretű tárgyra elosztva.
Ezen túlmenően, gondos kísérletek azt mutatták, hogy a proton és az elektron töltése pontosan azonos nagyságrendű.
Egy másik nagyon fontos szempont, amelyet figyelembe kell venni, hogy az elektromos töltés kvantált. A mai napig nem találtak olyan izolált elektromos töltést, amely kisebb, mint az elektron töltése. Mindezek többszörösei.
Végül az elektromos töltés megmarad. Más szavakkal, az elektromos töltés nem keletkezik és sem pusztul el, hanem átvihető egyik tárgyról a másikra. Ilyen módon, ha a rendszert elkülönítik, a teljes terhelés állandó marad.
Az elektromos töltés egységei
Az elektromos töltési egység a Nemzetközi Egységrendszerben (SI) a Coulomb, rövidítve C betűvel, Charles A. Coulomb (1736-1806) tiszteletére, aki felfedezte a nevét viselő törvényt és leírja az interakciót. két pont töltés között. Később beszélünk róla.
Az elektron elektromos töltésének a lehető legkisebb, amely a természetben elkülöníthető, nagysága:
A Coulomb meglehetősen nagy egység, ezért gyakran használnak részelemeket:
És mint már említettük, a jele e - negatív. A proton töltése pontosan ugyanolyan nagyságrendű, de pozitív jellel.
A jelek szokásos kérdés, azaz kétféle villamos energia létezik, és meg kell különböztetni őket, ezért az egyiknek (-), a másiknak (+) jele van. Benjamin Franklin tette ezt a kijelölést, és emellett kibővítette a töltés megőrzésének elvét.
Franklin idejére az atom belső szerkezete még mindig ismeretlen volt, ám Franklin megfigyelte, hogy a selyemmel dörzsölt üvegrúd elektromosan feltöltődött, és ezt az elektromos áramot pozitívnak nevezi.
Bármilyen tárgyat, amelyet a villamosenergia vonzott, negatív jele volt. Az elektron felfedezése után megfigyelték, hogy a töltött üvegrúd vonzza őket, és így az elektron töltés negatívvá vált.
Coulomb törvénye a pontdíjakról
A 18. század végén Coulomb, a francia hadsereg mérnöke hosszú ideig tanulmányozta az anyagok tulajdonságait, a gerendákra ható erőket és a súrlódási erőt.
De legjobban emlékszik rá a nevét viselő törvény, amely leírja a kétpontos elektromos töltések kölcsönhatását.
Hagy két elektromos töltések q 1 és q 2. Coulomb megállapította, hogy a köztük lévő erő, akár vonzás, akár taszítás, arányos mindkét töltés szorzatával, és fordítva arányos a közöttük lévő távolság négyzetével.
matematikailag:
Ebben az egyenletben F képviseli az erő nagyságát, r pedig a töltések közötti távolság. Az egyenlőség megköveteli az arányosság állandóját, amelyet elektrosztatikus állandónak hívunk, és k e- vel jelöljük.
Így:
Ezen felül Coulomb megállapította, hogy az erő a töltéseket összekötő vonal mentén irányult. Tehát, ha r az egységvektor az említett vonal mentén, akkor Coulomb törvénye mint vektor:
A Coulomb-törvény alkalmazása
Coulomb kísérleteihez egy torziós mérlegnek nevezett eszközt használt. Ezen keresztül lehetett meghatározni az elektrosztatikus állandó értékét:
Ezután egy alkalmazást fogunk látni. Hárompontos terhelések veszik q A, q B q C, amelyek a ábrán látható helyzetben 2. Számítsuk ki a nettó erő q B.
2. ábra: A negatív töltésre kifejtett erő kiszámítása Coulomb törvénye alapján történik. Forrás: F. Zapata.
A töltés q Egy vonzza a töltés q B, mert ellenkező előjelű. Ugyanez mondható el a q C-ről. Az izolált testvázlat a jobb oldali 2. ábrán látható, amelyben megfigyelték, hogy mindkét erő a függőleges tengely vagy az y tengely mentén irányul, és ellentétes irányban van.
A q B töltésre kerülő nettó erő:
F R = F AB + F CB (a szuperpozíció elve)
Csak a numerikus értékeket kell kicserélnie, ügyelve arra, hogy az összes mértékegységet felírja a Nemzetközi Rendszerbe (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
Gravitáció és elektromosság
Ennek a két erőnek ugyanaz a matematikai formája van. Természetesen különböznek az arányosság állandójának értékében és abban, hogy a gravitáció tömeggel működik, míg az elektromosság töltéssel működik.
De az a fontos, hogy mindkettő a távolság fordított négyzetétől függ.
Van egy egyedi típusú tömeg, amelyet pozitívnak tekintünk, tehát a gravitációs erő mindig vonzó, míg a töltések pozitív vagy negatív. Ezért az elektromos erõk az esettõl függõen vonzóak vagy visszataszítóak lehetnek.
És megvan ez a részlet, amely a fentiekből származik: minden szabadon eső objektum azonos gyorsulással rendelkezik, mindaddig, amíg a Föld felszínéhez közel vannak.
De ha például egy protont és egy elektront szabadítunk fel egy töltött sík közelében, akkor az elektronnak sokkal nagyobb gyorsulása lesz, mint a protonnak. Ezenkívül a gyorsulásoknak ellentétes irányok vannak.
Végül az elektromos töltést kvantálják, ahogy mondták. Ez azt jelenti, hogy a töltések 2,3 vagy 4-szerese lehet az elektron, vagy a protoné töltöttségének, de ezt a töltést soha nem kétszer. A tömegek viszont nem egy adott tömeg többszörösét képezik.
A szubatomi részecskék világában az elektromos erő nagysága meghaladja a gravitációs erőt. A makroszkopikus skálán azonban a gravitációs erő az uralkodó. Ahol? A bolygók, a Naprendszer, a galaxis és egyebek szintjén.
Irodalom
- Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 5. kötet. Elektrosztatika. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB).
- Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6.. Ed Prentice Hall.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pillantás a világra. 6. rövidített kiadás. Cengage tanulás.
- Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.
- Sears, Zemansky. 2016. Egyetemi fizika a modern fizikával. 14-én. Szerkesztés V 2.