Pünktliche Lasteigenschaften und Coulomb Law

A Pünktliche Last, Im Kontext des Elektromagnetismus ist es diese elektrische Ladung so kleiner Dimensionen, die als Punkt betrachtet werden können. Zum Beispiel sind Elementarpartikel mit elektrischer Ladung, Proton und Elektron so gering, dass ihre Abmessungen in zahlreichen Anwendungen weggelassen werden können. Bedenken Sie, dass eine Last die Arbeit erleichtert, ihre Wechselwirkungen zu berechnen und die elektrischen Eigenschaften der Angelegenheit zu verstehen.

Elementarpartikel sind nicht die einzigen, die spezifische Belastungen sein können. Die ionisierten Moleküle können auch die beladenen Kugeln sein, die Charles verwendet hat. Coulomb (1736-1806) in seinen Experimenten und sogar in demselben Land. Alle können als spezifische Lasten angesehen werden, solange wir sie in Abständen sehen, die viel größer sind als die Größe des Objekts.

Abbildung 1. Die spezifischen Lasten desselben Vorzeichens werden abgestoßen, während das entgegengesetzte Zeichen angezogen wird. Quelle: Wikimedia Commons.

Da alle Körper aus Elementarpartikeln bestehen, ist die elektrische Ladung eine inhärente Eigenschaft der Materie, genau wie die Masse. Sie können kein Elektron ohne Masse und weder ohne Last haben.

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Eigenschaften

Soweit wir heute wissen, gibt es zwei Arten von elektrischer Ladung: positiv und negativ. Die Elektronen haben eine negative Typlast, während die Protonen sie positiv haben.

Ladungen desselben Vorzeichen. Dies gilt für jede Art von elektrischer Ladung, die entweder pünktlich oder über ein Objekt messbarer Abmessungen verteilt ist.

Darüber hinaus ergaben sorgfältige Experimente, dass die Protonenlast und das Elektron genau die gleiche Größe aufweisen.

Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist, dass die elektrische Ladung quantisiert wird. Bisher wurden isolierte elektrische Lasten nicht weniger als die Elektronenlast gefunden. Alle sind mehrfach davon.

Schließlich bleibt die elektrische Ladung erhalten. Mit anderen Worten, die elektrische Ladung wird weder erstellt noch zerstört, aber sie kann von einem Objekt auf ein anderes übertragen werden. Auf diese Weise bleibt die Gesamtbelastung konstant, wenn das System isoliert ist.

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Elektrische Ladeeinheiten

Die Einheit für elektrische Gebühren im internationalen Einheitensystem (SI) ist Coulomb, das mit einem Kapital C zu Ehren von Charles zu Ehren von Charles abgekürzt wird. Coulomb (1736-1806), der das Gesetz entdeckte, das seinen Namen trägt und die Wechselwirkung zwischen zwei spezifischen Gebühren beschreibt. Später werden wir über sie sprechen.

Die elektronen elektrische Ladung, die die kleinstmögliche ist, die in der Natur isoliert werden kann, hat eine Größe von:

Und^- = 1.6 x 10 ^-16 C

Coulomb ist eine ziemlich große Einheit, daher werden häufig Submultiples verwendet:

-1 mili c = 1 mc = 1 x 10^-3 C

-1 Mikro C = 1 μc = 1 x 10^-6 C

-1 Nano c = 1 nc = 1 x 10^-9 C

Und wie wir bereits erwähnt haben, das Zeichen von Und^- Es ist negativ. Die Protonenlast hat genau die gleiche Größe, aber mit einem positiven Vorzeichen.

Die Zeichen sind eine Frage der Konvention, dh zwei Arten von Strom und es ist notwendig, sie zu unterscheiden. Daher wird einem Zeichen (-) und dem anderen Zeichen (+) zugewiesen. Benjamin Franklin machte diese Bezeichnung und gaben auch den Prinzip der Lastschutz aus.

Für Franklins Zeit war die innere Struktur des Atoms noch unbekannt, aber Franklin hatte beobachtet, dass ein Glasbalken mit Seide gerieben wurde und diese Art von Strom positiv bezeichnete.

Jedes Objekt, das von solchen Strom angezogen wurde, hatte ein negatives Zeichen. Nachdem das Elektron entdeckt wurde.

Coulomb -Gesetz für bestimmte Lasten

Ende des 18. Jahrhunderts widmete Coulomb, ein Ingenieur der französischen Armee.

Aber es wird mehr durch das Gesetz in Erinnerung bleiben, das seinen Namen trägt und die Wechselwirkung zwischen zwei spezifischen elektrischen Gebühren beschreibt.

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Lassen Sie zwei elektrische Gebühren Q₁ Und Q₂. Coulomb stellte fest, dass die Kraft zwischen ihnen, bereits aus Anziehung oder Abstoßung, direkt proportional zum Produkt beider Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen war.

Mathematisch:

F∝ q₁ . Q₂ / R²

In dieser Gleichung, F repräsentiert die Größe der Kraft und R Es ist der Abstand, der die Lasten trennt. Gleichheit erfordert eine Konstante der Verhältnismäßigkeit, die als elektrostatische Konstante bezeichnet wird und als bezeichnet wird k_Und.

Daher:

F = k. Q₁ . Q₂ /R²

Coulomb fand auch, dass die Kraft entlang der Linie gerichtet war, die sich den Lasten verbindet. Dann ja R Es ist der Einheitsvektor entlang dieser Linie, Coulombs Gesetz als Vektor ist:

 Diese Form des Coulomb -Gesetzes gilt nur für bestimmte Lasten.

Anwendung des Coulomb -Gesetzes 

Coulomb verwendete ein Gerät namens namens Torsionsbilanz Für Ihre Experimente. Dadurch könnte der Wert der elektrostatischen Konstante festgestellt werden in:

k_Und = 8.99 x 10⁹ N m²/C² ≈ 9.0 x 10⁹ N m²/C²

Als nächstes sehen wir eine Bewerbung. Sie haben drei spezifische Ladungen, die_ZU, Q_B und Q_C In den in Abbildung 2 angegebenen Positionen gefunden. Berechnen wir die Nettokraft auf Q_B.

Figur 2. Die Kraft auf die negative Last wird nach Coulombs Gesetz berechnet. Quelle: f. Zapata.

Die Last q_ZU zieht die Last q an_B, Weil sie entgegengesetzte Zeichen sind. Das gleiche gilt für q_C. Das isolierte Körperdiagramm befindet sich in Abbildung 2 rechts, was zeigt, dass beide Kräfte entlang der vertikalen Achse oder der Y -Achse gerichtet sind und entgegengesetzte Sinne haben.

Die Nettokraft auf der Last q_B Ist:

F_R = F_Ab + F_CB (Prinzip der Superposition)

Es bleibt nur noch, numerische Werte zu ersetzen, und achten Sie darauf, alle Einheiten in das Internationale System (SI) zu schreiben.

F_Ab = 9.0 x 10⁹ x 1 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (2 x 10^-2) ² N (+Und) = 0.000045 (+Und) N

F_CB = 9.0 x 10⁹ x 2 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (1 x 10^-2) ² N (-Und) = 0.00036 (-Und) N

F_R = F_Ab + F_CB = 0.000045 (+Und) + 0.00036 (-Und) N = 0.000315 (-Und) N

Schwerkraft und Elektrizität

Diese beiden Kräfte haben die gleiche mathematische Form. Natürlich unterscheiden sie sich im Wert der Verhältnismäßigkeitskonstante und in der die Schwerkraft mit Massen arbeitet, während Elektrizität dies mit Lasten tut.

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Das Wichtigste ist jedoch, dass beide von der Umkehrung zum Quadrat der Entfernung abhängen.

Es gibt eine einzigartige Art von Masse und wird als positiv angesehen, sodass die Gravitationskraft immer anzieht, während Ladungen positiv oder negativ sein können. Daher können elektrische Kräfte im Fall Anziehung oder Abstoßung sein.

Und wir haben dieses Detail, das aus dem oben genannten stammt: Alle Objekte im freien Fall haben die gleiche Beschleunigung, während sie sich in der Nähe der Erdoberfläche befinden.

Wenn wir jedoch beispielsweise ein Proton und ein Elektron in der Nähe einer beladenen Ebene loslassen, hat das Elektron eine viel größere Beschleunigung als die des Protons. Darüber hinaus haben Beschleunigungen entgegengesetzte Sinne.

Schließlich wird die elektrische Ladung wie angegeben quantisiert. Das bedeutet, dass wir Lasten 2,3 oder 4 -mal so finden können, wie das der Elektronen -oder das des Protonen -aber nie 1.5 -mal dieser Last. Die Massen stattdessen sind keine Vielfachen einer einzigartigen Masse.

In der Welt der subatomaren Partikel übersteigt die elektrische Kraft die Gravitationsgröße. Auf makroskopischen Skalen ist die Schwerkraft jedoch diejenige, die vorherrscht. Wo? Auf der Ebene der Planeten, des Sonnensystems, der Galaxie und mehr.

Verweise

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