ТАЧКА НАЕЛЕКТРИСАЊА: СВОЈСТВА И ЗАКОН КУЛОНА - ФИЗИЧКИ - 2025

Пуњење тачка , у контексту електромагнетизма, јесте да наелектрисање тако малих димензија да се може сматрати тачка. На пример, елементарне честице са електричним набојем, протони и електрони, толико су мале да се њихове димензије могу изоставити у многим применама. С обзиром на то да је набој оријентисан на тачку чини посао израчунавања његових интеракција и разумевања електричних својстава материје много лакшим.

Елементарне честице нису једине које могу бити тачкасти набоји. Такође могу бити јонизовани молекули, наелектрисане сфере које је Цхарлес А. Цоуломб (1736-1806) користио у својим експериментима, па чак и сама Земља. Све се могу сматрати точковним набојима, све док их видимо на удаљеностима много већим од величине објекта.

Слика 1. Точкасти набоји истог знака одбијају један другог, док насупротни знак привлаче. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Пошто су сва тела направљена од елементарних честица, електрични набој је својствено својство материје, баш као и маса. Не можете имати електрон без масе, а такође не без набоја.

Својства

Колико знамо данас, постоје две врсте електричног набоја: позитивно и негативно. Електрони имају негативан набој, док протони имају позитиван набој.

Оптужбе истог знака одбијају се, док оне супротног знака привлаче. Ово важи за било коју врсту електричног набоја, било правовремено или дистрибуирано преко објекта мерљивих димензија.

Даље, пажљивим експериментима је утврђено да набој протона и електрона има потпуно исту величину.

Друга врло важна ствар коју треба узети у обзир је да је електрични набој квантизиран. До данас нису пронађени изоловани електрични набоји величине веће од наелектрисања електрона. Сви су они вишеструки од овога.

Коначно, електрични набој је сачуван. Другим речима, електрични набој се не ствара нити уништава, али се може пренети са једног објекта на други. На овај начин, ако је систем изолован, укупно оптерећење остаје константно.

Јединице електричног набоја

Јединица за електрични набој у Међународном систему јединица (СИ) је Цоуломб, скраћено с великим словом Ц, у част Цхарлеса А. Цоуломб-а (1736-1806), који је открио закон који носи његово име и описује интеракцију између две тачке набоја. О томе ћемо касније.

Електрични набој електрона, који је најмањи могући који се може изоловати у природи, има величину:

Цоуломб је прилично велика јединица, па се често користе субмултипле:

И као што смо раније поменули, знак е ^- негативан. Набој на протону има тачно исте величине, али са позитивним предзнаком.

Знакови су ствар сагласности, односно постоје две врсте електричне енергије и потребно их је разликовати, стога се једном додељује знак (-), а другом знаку (+). Бењамин Франклин је то именовао и такође изнио принцип очувања набоја.

У Франклиново време, унутрашња структура атома још увек није била позната, али Франклин је приметио да штап од стакла намочен свилом постаје наелектрисан, називајући ову врсту електричне енергије позитивном.

Било који предмет који је привукао поменути електрицитет имао је негативан предзнак. Након што је откривен електрон, примећено је да их набијена стаклена палица привлачи и тако је набој електрона постао негативан.

Цоуломбов закон за тачке наплате

Крајем 18. века Цоуломб, инжењер у француској војсци, провео је дуго времена проучавајући својства материјала, силе које делују на греде и силу трења.

Али најбоље је упамћен по закону који носи његово име и који описује интеракцију између два тачка електричне наелектрисања.

Нека су два електрична набоја к ₁ и к ₂ . Куломб је утврдио да је сила између њих, било привлачења или одбијања, директно пропорционална производу оба набоја и обрнуто пропорционална квадрату растојања између њих.

Математички:

У овој једначини Ф представља величину силе а р је удаљеност између набоја. За једнакост је потребна константа пропорционалности, која се назива електростатичка константа и означава се као к _е .

Тако:

Даље је Цоуломб открио да је сила била усмјерена дуж линије која је спајала набоје. Дакле, ако је р јединични вектор дуж наведене линије, Куломов закон као вектор је:

Примена Куломовог закона

Цоуломб је за своје експерименте користио уређај зван торзијска вага. Кроз њега је било могуће утврдити вредност електростатичке константе у:

Даље ћемо видети апликацију. Три тачке оптерећења се узимају к _А , к _Б к _Ц који су у положајима приказаним на Слици 2. Израчунати нето силе на к _Б .

Слика 2. Сила на негативни набој израчунава се помоћу Куломовог закона. Извор: Ф. Запата.

Набој к _А привлачи набој к _Б , јер имају супротне знакове. Исто се може рећи и к _Ц . Дијаграм изолованог тела је на слици 2 са десне стране на којој се примећује да су обе силе усмерене дуж вертикалне осе или оси и и имају супротне правце.

Нето сила на набој к _Б је:

Ф _Р = Ф _АБ + Ф _ЦБ (принцип суперпозиције)

Остаје само да замене нумеричке вредности водећи рачуна да напишемо све јединице у Међународном систему (СИ).

Ф _АБ = 9,0 к 10 ⁹ к 1 к 10 ^-9 к 2 к 10 ^-9 / (2 к 10 ^-2 ) ² Н (+ и) = 0,000045 (+ и) Н

Ф _ЦБ = 9,0 к 10 ⁹ к 2 к 10 ^-9 к 2 к 10 ^-9 / (1 к 10 ^-2 ) ² Н (- и ) = 0,00036 (- и ) Н

Ф _Р = Ф _АБ + Ф _ЦБ = 0,000045 (+ и) + 0,00036 (- и ) Н = 0,000315 (- и) Н

Гравитација и електрична енергија

Ове две силе имају исти математички облик. Наравно, разликују се у вредности константе пропорционалности и у томе што гравитација делује са масама, док електрична енергија ради са набојима.

Али важно је да обоје зависе од обрнутости квадрата удаљености.

Постоји јединствена врста масе и сматра се позитивном, тако да је гравитациона сила увек привлачна, док набоји могу бити позитивни или негативни. Из тог разлога, електричне силе могу бити привлачне или одбојне, у зависности од случаја.

И имамо овај детаљ који је изведен из горе наведеног: сви објекти у слободном паду имају исто убрзање, све док су близу површине Земље.

Али ако ослободимо, на пример, протон и електрон у близини наелектрисане равни, електрон ће имати знатно веће убрзање од протона. Даље, убрзања ће имати супротне правце.

Коначно, електрични набој се квантизира, баш као што је речено. То значи да можемо наћи набоје 2,3 или 4 пута веће од електрона - или од протона -, али никада 1,5 пута више од овог набоја. Маса, с друге стране, није вишеструка од једне једине масе.

У свету субатомских честица, електрична сила премашује гравитациону јачину. Међутим, на макроскопским вагама превладава сила гравитације. Где? На нивоу планета, Сунчевог система, галаксије и још много тога.

Референце

1. Фигуероа, Д. (2005). Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 5. Електростатика. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ).
2. Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. 6. Ед Прентице Халл.
3. Киркпатрицк, Л. 2007. Физика: поглед на свет. 6. скраћено издање. Ценгаге Леарнинг.
4. Книгхт, Р. 2017. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон.
5. Сеарс, Земански. 2016. Универзитетска физика са савременом физиком. 14тх. Ед. В 2