ТОЧКОВИЙ ЗАРЯД: ВЛАСТИВОСТІ ТА ЗАКОН КУЛОНА - ФІЗИЧНІ - 2025

Точковий заряд , в контексті електромагнетизму, є те , що електричний заряд таких малих розмірів , що його можна вважати точкою. Наприклад, елементарні частинки, які мають електричний заряд, протон та електрон, настільки малі, що їхні розміри можуть бути опущені у багатьох програмах. Враховуючи, що заряд орієнтований на точку, значно полегшує роботу обчислення його взаємодій та розуміння електричних властивостей речовини.

Елементарні частинки - не єдині, які можуть бути точковими зарядами. Також можуть бути іонізовані молекули, заряджені сфери, які Чарльз А. Кулом (1736-1806) використовував у своїх експериментах і навіть сама Земля. Усі можна вважати точковими зарядами, якщо ми бачимо їх на відстанях, значно більших за розмір об'єкта.

Малюнок 1. Точкові заряди одного знака відштовхують один одного, тоді як сили протилежного знака притягують один одного. Джерело: Wikimedia Commons.

Оскільки всі тіла складаються з елементарних частинок, електричний заряд - це властива матерія, як і маса. Ви не можете мати електрон без маси, а також не без заряду.

Властивості

Наскільки ми знаємо сьогодні, існує два типи електричного заряду: позитивний і негативний. Електрони мають негативний заряд, а протони - позитивний.

Заряди одного знака відштовхуються, тоді як звинувачення протилежної ознаки приваблюють. Це справедливо для будь-якого типу електричного заряду, точного або розподіленого по об'єкту вимірюваних розмірів.

Крім того, ретельними експериментами було встановлено, що заряд на протоні та електроні має однакову величину.

Ще один дуже важливий момент, який слід врахувати, - це те, що електричний заряд квантується. На сьогоднішній день не знайдено ізольованих електричних зарядів на величину, меншу заряду електрона. Вони всі кратні цьому.

Нарешті, електричний заряд зберігається. Іншими словами, електричний заряд ні створюється, ні руйнується, але він може передаватися від одного об’єкта до іншого. Таким чином, якщо система ізольована, загальне навантаження залишається постійним.

Одиниці електричного заряду

Одиницею електричного заряду в Міжнародній системі одиниць (СІ) є кулон, скорочений з великої літери С, на честь Чарльза А. Кулона (1736-1806), який відкрив закон, який носить його ім'я та описує взаємодію між двома точковими зарядами. Про це ми поговоримо пізніше.

Електричний заряд електрона, який є найменшим можливим, що може бути виділений у природі, має величину:

Кулон є досить великою одиницею, тому часто використовуються підмножини:

І як ми вже згадували раніше, знак е ^- негативний. Заряд на протоні має точно таку ж величину, але з позитивним знаком.

Знаки є предметом умовності, тобто є два типи електрики і їх потрібно розрізняти, тому одному присвоюється знак (-), а другому знак (+). Бенджамін Франклін зробив це позначення, а також озвучив принцип збереження заряду.

До часів Франкліна внутрішня структура атома була ще невідома, але Франклін зауважив, що стрижень скла, натертий шовком, стає електрично зарядженим, називаючи цей вид електрики позитивним.

Будь-який предмет, який був приваблений зазначеною електрикою, мав негативний знак. Після виявлення електрона було помічено, що заряджений скляний стрижень приваблює їх, і ось так заряд електрона став негативним.

Закон Кулона про точкові заряди

Наприкінці 18 століття Кулом, інженер французької армії, довго проводив вивчення властивостей матеріалів, сил, що діють на балки, і сили тертя.

Але його найкраще пам’ятають про закон, який носить його ім’я, і який описує взаємодію між двоточковими електричними зарядами.

Нехай будуть два електричні заряди q ₁ і q ₂ . Кулом визначав, що сила між ними, або притягання, або відштовхування, прямо пропорційна добутку обох зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Математично:

У цьому рівнянні F являє величину сили, а r - відстань між зарядами. Рівність вимагає константи пропорційності, яку називають електростатичною постійною і позначають як k _e .

Таким чином:

Крім того, Кулом виявив, що сила спрямована уздовж лінії, що з'єднує заряди. Отже, якщо r - одиничний вектор уздовж зазначеної прямої, закон Кулона як вектор є:

Застосування закону Кулона

Кулом для своїх експериментів використовував пристрій, який називається крученням. Через нього можна було встановити значення електростатичної постійної у:

Далі ми побачимо додаток. Три точкові навантаження взяті Q _A , Q , _B Q _C , які знаходяться в положенні , показаному на малюнку 2. розрахунку чистої сили на кв _B .

Малюнок 2. Сила на від'ємний заряд обчислюється, використовуючи закон Кулона. Джерело: Ф. Сапата.

Заряд q _A притягує заряд q _B , оскільки вони мають протилежні знаки. Те ж саме можна сказати і про д _З . Діаграма ізольованого тіла зображена на малюнку 2 праворуч, на якому спостерігається, що обидві сили спрямовані вздовж вертикальної осі або осі y та мають протилежні напрямки.

Чиста сила на заряд q _B дорівнює:

F _R = F _AB + F _CB (Принцип суперпозиції)

Залишається лише замінити числові значення, подбаючи про те, щоб записати всі одиниці в Міжнародній системі (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

Гравітація та електрика

Ці дві сили мають однакову математичну форму. Звичайно, вони відрізняються значенням постійної пропорційності і тим, що гравітація працює з масами, тоді як електрика працює з зарядами.

Але найважливіше те, що обидва залежать від оберненої площі відстані.

Існує унікальний тип маси і він вважається позитивним, тому гравітаційна сила завжди приваблива, тоді як заряди можуть бути позитивними чи негативними. З цієї причини електричні сили можуть бути привабливими або відштовхуючими, залежно від випадку.

І у нас є ця деталь, яка випливає з вищесказаного: всі об'єкти у вільному падінні мають однакове прискорення, доки вони знаходяться близько до поверхні Землі.

Але якщо ми випустимо протон і електрон поблизу зарядженої площини, наприклад, електрон матиме набагато більше прискорення, ніж протон. Крім того, прискорення матимуть протилежні напрямки.

Нарешті, електричний заряд квантований, як сказано. Це означає, що ми можемо знайти заряди в 2,3 або 4 рази більше електрона - або протонного, але ніколи не в 1,5 рази більше цього заряду. Маси, з іншого боку, не є кратними якоюсь однією масою.

У світі субатомних частинок електрична сила за величиною перевищує гравітаційну. Однак на макроскопічних масштабах сила тяжіння є переважаючою. Де? На рівні планет, Сонячної системи, галактики тощо.

Список літератури

1. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 5. Електростатика. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
2. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6-й. Ед Прентіс Холл.
3. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6-е скорочене видання. Cengage Learning.
4. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
5. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14-а. Видання V 2.