ТОЧКОВА ТАКСА: СВОЙСТВА И ЗАКОН НА КУЛОНА - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

А заряд точка, в контекста на електромагнитно е, че електрически заряд на такива малки размери, че да може да се счита за точка. Например елементарните частици, които имат електрически заряд, протона и електрона, са толкова малки, че размерите им могат да бъдат пропуснати в много приложения. Като се има предвид, че зарядът е насочен към точка, прави работата по изчисляването на взаимодействията му и разбирането на електрическите свойства на материята много по-лесно.

Елементарните частици не са единствените, които могат да бъдат точкови заряди. Те също могат да бъдат йонизирани молекули, заредените сфери, които Чарлз А. Кулом (1736-1806) използва в своите експерименти и дори самата Земя. Всички могат да се считат за точкови заряди, стига да ги видим на разстояния, много по-големи от размера на обекта.

Фигура 1. Точковите заряди на един и същ знак се отблъскват взаимно, докато тези от противоположния знак привличат. Източник: Wikimedia Commons.

Тъй като всички тела са изградени от елементарни частици, електрическият заряд е присъщо свойство на материята, също като масата. Не можете да имате електрон без маса и също така не без заряд.

Имоти

Доколкото знаем днес, има два вида електрически заряд: положителен и отрицателен. Електроните имат отрицателен заряд, докато протоните имат положителен заряд.

Зарядите от същия знак отблъскват, докато тези от противоположния знак привличат. Това е валидно за всеки тип електрически заряд, точен или разпределен върху обект с измерими размери.

Освен това внимателни експерименти установяват, че зарядът на протона и електрона има точно една и съща величина.

Друг много важен момент, който трябва да се вземе предвид, е, че електрическият заряд се определя количествено. Към днешна дата не са открити изолирани електрически заряди с величина, по-малка от заряда на електрона. Всички те са кратни.

И накрая, електрическият заряд е запазен. С други думи, електрическият заряд не се създава, нито се унищожава, но той може да бъде прехвърлен от един обект в друг. По този начин, ако системата е изолирана, общото натоварване остава постоянно.

Елементи с електрически заряд

Единицата за електрически заряд в Международната система от единици (SI) е Куломът, съкратено с главна буква С, в чест на Чарлз А. Кулом (1736-1806), който откри закона, който носи неговото име и описва взаимодействието между две точкови такси. Ще поговорим за това по-късно.

Електрическият заряд на електрона, който е най-малкият възможен, който може да бъде изолиран в природата, има величина:

Coulomb е доста голяма единица, затова често се използват подмножества:

И както споменахме преди, знакът на e ^- е отрицателен. Зарядът на протона има точно същата величина, но с положителен знак.

Знаците са въпрос на конвенция, тоест има два вида електричество и е необходимо да ги разграничим, следователно на единия е присвоен знак (-), а на другия знак (+). Бенджамин Франклин направи това обозначение и също така изложи принципа за запазване на заряда.

По времето на Франклин вътрешната структура на атома все още не е била известна, но Франклин е забелязал, че пръчка от стъкло, натрита с коприна, става електрически заредена, наричайки този вид електричество положително.

Всеки предмет, който беше привлечен от споменатото електричество, имаше отрицателен знак. След откриването на електрона беше наблюдавано, че зареденият стъклен прът ги привлича и по този начин зарядът на електроните стана отрицателен.

Закон на Кулом за точкови такси

В края на 18 век Кулом, инженер във френската армия, прекарва много време, изучавайки свойствата на материалите, силите, действащи върху гредите, и силата на триене.

Но той най-добре се помни за закона, който носи неговото име и който описва взаимодействието между две точкови електрически заряди.

Позволявам са два електрически заряда q ₁ и q ₂. Кулом определи, че силата между тях, или привличане, или отблъскване, е пряко пропорционална на произведението на двете заряди и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

Математически:

В това уравнение F представлява величината на силата, а r е разстоянието между зарядите. Равенството изисква константа на пропорционалност, която се нарича електростатична константа и се обозначава като k _e.

По този начин:

Освен това Coulomb установява, че силата е насочена по линията, свързваща зарядите. И така, ако r е единичният вектор по посочената линия, законът на Coulomb като вектор е:

Прилагане на закона на Кулом

За своите експерименти Coulomb използва устройство, наречено торсионен баланс. Чрез него беше възможно да се установи стойността на електростатичната константа в:

След това ще видим приложение. Три товар точка са взети Q _A, Q _Б р _C, които са в позициите, показани на Фигура 2. изчисляване на нетния сила на р _B.

Фигура 2. Силата на отрицателния заряд се изчислява, използвайки закона на Кулом. Източник: Ф. Сапата.

Зарядът q _A привлича заряда q _B, защото те имат противоположни знаци. Същото може да се каже за Q _С. Диаграмата на изолираното тяло е на фигура 2 вдясно, на която се наблюдава, че двете сили са насочени по вертикалната ос или y и имат противоположни посоки.

Нетната сила на зареждане q _B е:

F _R = F _AB + F _CB (Принцип на суперпозиция)

Остава само да заменим числовите стойности, като внимаваме да запишем всички единици в Международната система (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

Гравитация и електричество

Тези две сили имат една и съща математическа форма. Разбира се, те се различават по стойността на константата на пропорционалност и по това, че гравитацията работи с маси, докато електричеството работи с заряди.

Но важното е, че и двете зависят от обратната страна на квадрата на разстоянието.

Има уникален тип маса и се счита за положителна, така че гравитационната сила винаги е привлекателна, докато зарядите могат да бъдат положителни или отрицателни. Поради тази причина електрическите сили могат да бъдат привлекателни или отблъскващи, в зависимост от случая.

И ние имаме тази подробност, която се извлича от горното: всички обекти в свободно падане имат еднакво ускорение, стига да са близо до повърхността на Земята.

Но ако пуснем например протона и електрон близо до заредена равнина, електронът ще има много по-голямо ускорение от протона. Освен това ускоренията ще имат противоположни посоки.

И накрая, електрическият заряд се квантира, точно както беше казано. Това означава, че можем да намерим заряди 2,3 или 4 пъти по-големи от този на електрон - или този на протона, но никога 1,5 пъти този заряд. Масите, от друга страна, не са кратни на някаква единична маса.

В света на субатомните частици електрическата сила надвишава гравитационната по величина. В макроскопичните везни обаче силата на гравитацията е преобладаваща. Където? На нивото на планетите, Слънчевата система, галактиката и др.

Препратки

1. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 5. Електростатици. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6-ти. Ед Прентис Хол.
3. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6-то съкратено издание. Учене в Cengage.
4. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
5. Сиърс, Земански. 2016. Университетска физика със съвременна физика. 14-ти. Изд. V 2.