A bodové zatížení, V kontextu elektromagnetismu je to ten elektrický náboj tak malých rozměrů, který lze považovat za bod. Například elementární částice, které mají elektrický náboj, proton a elektron, jsou tak malé, že jejich rozměry lze v mnoha aplikacích vynechat. Vzhledem k tomu, že náboj je bodově orientovaný, je mnohem snazší vypočítat jeho interakce a porozumět elektrickým vlastnostem hmoty..
Elementární částice nejsou jediné, které mohou být bodovými náboji. I ionizované molekuly, nabité koule, které použil Charles A. Coulomb (1736-1806) ve svých experimentech, a dokonce i samotná Země. Vše lze považovat za bodové náboje, pokud je vidíme na vzdálenosti mnohem větší, než je velikost objektu..
Jelikož všechna těla jsou tvořena elementárními částicemi, je elektrický náboj inherentní vlastností hmoty, stejně jako hmota. Bez hmoty nemůžete mít elektron a ani náboj.
Rejstřík článků
Pokud dnes víme, existují dva typy elektrického náboje: kladný a záporný. Elektrony mají záporný náboj, zatímco protony kladný náboj..
Poplatky stejného znaménka odpuzují, zatímco poplatky opačného znaménka přitahují. To platí pro jakýkoli typ elektrického náboje, přesný nebo distribuovaný na objekt měřitelných rozměrů..
Pečlivé experimenty navíc ověřily, že náboj protonu a náboje elektronu mají přesně stejnou velikost..
Dalším velmi důležitým bodem, který je třeba vzít v úvahu, je to, že elektrický náboj je kvantován. Dosud nebyly nalezeny žádné izolované elektrické náboje o velikosti menší, než je náboj elektronu. Všichni jsou násobky toho.
Nakonec je elektrický náboj zachován. Jinými slovy, elektrický náboj není ani vytvořen, ani zničen, ale může být přenesen z jednoho objektu do druhého. Tímto způsobem, pokud je systém izolován, zůstává celková zátěž konstantní..
Jednotkou elektrického náboje v Mezinárodním systému jednotek (SI) je Coulomb, zkráceně s velkým písmenem C, na počest Charlesa A. Coulomba (1736-1806), který objevil zákon, který nese jeho jméno a popisuje interakci mezi dvoubodové poplatky. Promluvíme si o ní později.
Elektrický náboj elektronu, který je nejmenší možný, který lze v přírodě izolovat, má velikost:
a- = 1,6 x 10 -16 C
Coulomb je poměrně velká jednotka, takže se často používají podskupiny:
-1 milli 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
A jak jsme již zmínili, znaménko a- je negativní. Náboj protonu má přesně stejnou velikost, ale s kladným znaménkem.
Značky jsou věcí konvence, to znamená, že existují dva druhy elektřiny a je nutné je rozlišovat, proto je jednomu přiřazeno znaménko (-) a druhé znaménko (+). Benjamin Franklin učinil toto označení a také vyslovil zásadu zachování náboje..
V době Franklina byla vnitřní struktura atomu stále neznámá, ale Franklin si všiml, že skleněná tyč otřená hedvábím se stala elektricky nabitou, což označovalo tento druh elektřiny za pozitivní..
Jakýkoli objekt, který byl přitahován uvedenou elektřinou, měl negativní znaménko. Poté, co byl objeven elektron, bylo pozorováno, že je nabitá skleněná tyč přitahovala, a tak se elektronový náboj stal záporným.
Na konci 18. století strávil Coulomb, francouzský armádní inženýr, dlouhou dobu studiem vlastností materiálů, sil působících na nosníky a třecí síly..
Ale nejlépe si ho pamatuje zákon, který nese jeho jméno a který popisuje interakci mezi dvěma bodovými elektrickými náboji.
Nechť jsou dva elektrické náboje co1 Y codva. Coulomb určil, že síla mezi nimi, ať už přitažlivá nebo odpuzující, byla přímo úměrná součinu obou nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi..
Matematicky:
F∝ co1 . codva / rdva
V této rovnici, F představuje velikost síly a r je vzdálenost, která odděluje náboje. Rovnost vyžaduje konstantu proporcionality, která se nazývá elektrostatická konstanta a označuje se jako ka.
Tím pádem:
F = k. co1 . codva / rdva
Coulomb dále zjistil, že síla byla směrována podél linie spojující nálože. Pak ano r je jednotkový vektor podél této linie, Coulombův zákon jako vektor je:
Coulomb použil zařízení zvané torzní rovnováha pro vaše experimenty. Prostřednictvím toho bylo možné stanovit hodnotu elektrostatické konstanty v:
ka = 8,99 x 109 N mdva/ C.dva ≈ 9,0 x 109 N mdva/ C.dva
Dále uvidíme aplikaci. Existují tříbodové náboje qNA, coB a coC které jsou v polohách naznačených na obrázku 2. Vypočítáme čistou sílu na qB.
Zatížení qNA přitahuje náklad, kterýB, protože jsou opačných znamení. Totéž lze říci o qC. Schéma izolovaného těla je na obrázku 2 vpravo, na kterém je pozorováno, že obě síly směřují podél svislé osy nebo osy y a mají opačné směry.
Čistá síla na náboj qB to je:
FR = FAB + FCB (Princip superpozice)
Zbývá pouze nahradit číselné hodnoty a dávat pozor na zápis všech jednotek v mezinárodním systému (SI).
FAB = 9,0 x 109 x 1 x 10-9 x 2 x 10-9 / (2 x 10-dva) dva N (+Y) = 0,000045 (+Y) N
FCB = 9,0 x 109 x 2 x 10-9 x 2 x 10-9 / (1 x 10-dva) dva N (-Y) = 0,00036 (-Y) N
FR = FAB + FCB = 0,000045 (+Y) + 0,00036 (-Y) N = 0,000315 (-Y) N
Tyto dvě síly mají stejnou matematickou formu. Samozřejmě se liší v hodnotě konstanty proporcionality a v tom, že gravitace pracuje s hmotami, zatímco elektřina pracuje s náboji..
Důležité však je, že oba závisí na inverzním čtverci vzdálenosti.
Existuje jedinečný typ hmoty, který je považován za kladný, takže gravitační síla je vždy atraktivní, zatímco náboje mohou být kladné nebo záporné. Z tohoto důvodu mohou být elektrické síly podle případu přitažlivé nebo odpudivé..
A máme tento detail, který je odvozen z výše uvedeného: všechny objekty ve volném pádu mají stejné zrychlení, pokud jsou blízko povrchu Země..
Pokud ale například uvolníme proton a elektron poblíž nabité roviny, bude mít elektron mnohem větší zrychlení než proton. Zrychlení bude mít navíc opačné směry.
Nakonec je elektrický náboj kvantován, jak již bylo řečeno. To znamená, že můžeme najít náboje 2,3 nebo 4krát vyšší než náboj elektronu - nebo protonu -, ale nikdy 1,5násobek tohoto náboje. Masy na druhé straně nejsou násobky nějaké jedinečné hmoty.
Ve světě subatomárních částic elektrická síla o moc převyšuje gravitační. Na makroskopických stupnicích však převažuje gravitační síla. Kde? Na úrovni planet, sluneční soustavy, galaxie a dalších.
Zatím žádné komentáře