TOČKOVNI NABOJ: LASTNOSTI IN COULOMB ZAKON - FIZIČNO - 2026

Naboj točka , v okviru elektromagnetizma, je, da je električni naboj takih majhnih dimenzij, da se lahko šteli za točke. Na primer, elementarni delci, ki imajo električni naboj, protona in elektrona, so tako majhni, da lahko njihove dimenzije v mnogih aplikacijah izpustimo. Glede na to, da je naboj usmerjen v točko, je delo izračunavanja njihovih interakcij in razumevanja električnih lastnosti snovi veliko lažje.

Elementarni delci niso edini, ki so lahko točkovni naboji. Lahko so tudi ionizirane molekule, nabitih sfer, ki jih je Charles A. Coulomb (1736-1806) uporabljal v svojih poskusih in celo sama Zemlja. Vsi se lahko štejejo za točkovne naboje, če jih vidimo na razdaljah, veliko večjih od velikosti predmeta.

Slika 1. Točkovni naboji istega znaka se odbijajo, medtem ko v nasprotnem znaku privlačijo. Vir: Wikimedia Commons.

Ker so vsa telesa sestavljena iz elementarnih delcev, je električni naboj lastnost materije, tako kot masa. Ne morete imeti elektrona brez mase in tudi ne brez naboja.

Lastnosti

Kolikor danes poznamo, obstajata dve vrsti električnega naboja: pozitivno in negativno. Elektroni imajo negativen naboj, protoni pa pozitiven naboj.

Naboji istega znaka odbijajo, medtem ko privlačijo nasproti tega znaka. To velja za vsako vrsto električnega naboja, bodisi pravokotno bodisi porazdeljeno na predmet merljivih dimenzij.

Poleg tega so s skrbnimi poskusi ugotovili, da imata naboj na protonu in elektronu popolnoma enako velikost.

Druga zelo pomembna točka, ki jo je treba upoštevati, je, da je električni naboj kvantiziran. Do danes niso našli nobenih izoliranih električnih nabojev, ki bi bili manjši od naboja elektrona. Vsi so večkratniki tega.

Končno je električni naboj ohranjen. Z drugimi besedami, električni naboj se ne ustvarja niti ne uniči, ampak ga je mogoče prenesti z enega predmeta na drugega. Če je sistem izoliran, skupna obremenitev ostane konstantna.

Enote za električno polnjenje

Enota za električni naboj v Mednarodnem sistemu enot (SI) je Coulomb, okrajšano z veliko začetnico C, v čast Charlesa A. Couloma (1736-1806), ki je odkril zakon, ki nosi njegovo ime in opisuje interakcijo med dvema točkovnima nabojema. O tem bomo govorili kasneje.

Električni naboj elektrona, ki je v naravi najmanjši možni, ki ga je mogoče izolirati, ima velikost:

Coulomb je precej velika enota, zato se pogosto uporabljajo podmnožice:

In kot smo že omenili, je znak e ^- negativen. Naboj na protonu ima popolnoma enako velikost, vendar s pozitivnim predznakom.

Znaki so stvar konvencije, torej obstajata dve vrsti električne energije in treba ju je razlikovati, zato je enemu dodeljen znak (-), drugemu pa znak (+). Benjamin Franklin je to poimenovanje postavil tudi v načelo ohranitve naboja.

Do Franklinovega časa je bila notranja struktura atoma še vedno neznana, vendar je Franklin opazil, da je palica iz stekla, napolnjena s svilo, postala električno napolnjena in je to električno energijo poimenovala pozitivno.

Vsak predmet, ki ga je pritegnila omenjena elektrika, je imel negativen predznak. Po odkritju elektrona so opazili, da jih nabita steklena palica privlači in tako je naboj elektronov postal negativen.

Coulombov zakon za točkovne naboje

Konec 18. stoletja je Coulomb, inženir v francoski vojski, dolgo časa preučeval lastnosti materialov, sile, ki delujejo na nosilce, in sile trenja.

Najbolj pa si ga zapomni po zakonu, ki nosi njegovo ime in ki opisuje interakcijo med dvema točkovnima električnima nabojema.

Naj bosta dva električna naboja q ₁ in q ₂ . Coulomb je ugotovil, da je sila med njima, bodisi privlačnost ali odboj, neposredno sorazmerna s proizvodom obeh nabojev in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima.

Matematično:

V tej enačbi F predstavlja velikost sile, r pa razdalja med naboji. Za enakost je potrebna konstanta sorazmernosti, ki se imenuje elektrostatična konstanta in je označena kot k _e .

Tako:

Poleg tega je Coulomb ugotovil, da je bila sila usmerjena vzdolž črte, ki povezuje naboje. Torej, če je r enotni vektor vzdolž omenjene črte, je Coulombov zakon kot vektor:

Uporaba Coulombovega zakona

Coulomb je za svoje poskuse uporabil napravo, imenovano torzijsko tehtnico. Z njo je bilo mogoče ugotoviti vrednost elektrostatične konstante v:

Nato bomo videli aplikacijo. Tritočkovni obremenitve delo q _A , Q _B q _C , ki so v položajih, prikazanih na sliki 2. izračunati rezultanto sil na Q _B .

Slika 2. Sila na negativni naboj se izračuna s Coulombovim zakonom. Vir: F. Zapata.

Naboj q _A privlači naboj q _B , ker imajo nasprotna znamenja. Enako lahko rečemo za q _C . Shema izoliranega telesa je na sliki 2 na desni, na kateri opazimo, da sta obe sili usmerjeni vzdolž navpične osi ali osi y in imata nasprotni smeri.

Neto sila na polnjenje q _B je:

F _R = F _AB + F _CB (načelo superpozicije)

Ostaja samo nadomestiti številčne vrednosti in pri tem paziti, da zapišemo vse enote v mednarodnem sistemu (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

Gravitacija in elektrika

Ti dve sili imata enako matematično obliko. Seveda se razlikujejo v vrednosti konstante sorazmernosti in v tem, da gravitacija deluje z masami, medtem ko elektrika deluje z naboji.

Pomembno pa je, da sta oba odvisna od inverzije kvadrata razdalje.

Obstaja edinstvena vrsta mase in velja za pozitivno, zato je gravitacijska sila vedno privlačna, naboji pa so lahko pozitivni ali negativni. Zaradi tega so lahko električne sile privlačne ali odbijajoče, odvisno od primera.

In imamo to podrobnost, ki izhaja iz zgoraj navedenega: vsi predmeti v prostem padu imajo enak pospešek, dokler so blizu površine Zemlje.

Če pa sprostimo na primer proton in elektron v bližini nabitih ravnin, bo imel elektron precej večji pospešek kot proton. Poleg tega bodo pospeški imeli nasprotne smeri.

Končno je električni naboj kvantiziran, tako kot rečeno. To pomeni, da lahko najdemo naboje 2,3 ali 4-krat večje od elektrona - ali od protona -, vendar nikoli 1,5-kratnega od tega naboja. Masa, na drugi strani, ni večkratnik neke posamezne mase.

V svetu subatomskih delcev električna sila presega gravitacijsko moč. Vendar na makroskopskih lestvicah prevladuje sila gravitacije. Kje? Na ravni planetov, osončja, galaksije in še več.

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 5. Elektrostatika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. 6. Dvorana Ed Prentice.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6. skrajšana izdaja. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.
5. Sears, Zemanski. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. Ed. V 2.