TOČKA NABOJA: SVOJSTVA I COULOMB ZAKON - FIZIČKA - 2025

Točka naboj, u kontekstu elektromagnetizma, da je električni naboj takvih malih dimenzija da se može smatrati točka. Na primjer, elementarne čestice koje imaju električni naboj, protoni i elektroni su toliko male da se njihove dimenzije mogu izostaviti u mnogim primjenama. S obzirom da je naboj usmjeren prema točkama olakšava posao izračunavanja njegovih interakcija i razumijevanja električnih svojstava materije.

Elementarne čestice nisu jedine koje mogu biti točkasti naboji. Također mogu biti ionizirane molekule, nabijene sfere koje je Charles A. Coulomb (1736-1806) koristio u svojim eksperimentima, pa čak i sama Zemlja. Sve se mogu smatrati točkovnim nabojima, sve dok ih vidimo na udaljenostima mnogo većim od veličine predmeta.

Slika 1. Točkasti naboji istog znaka odbijaju jedan drugog, dok ih suprotni znak privlače. Izvor: Wikimedia Commons.

Budući da su sva tijela sačinjena od elementarnih čestica, električni naboj je svojstvo materije, baš kao i masa. Ne možete imati elektron bez mase, a također ne bez naboja.

Svojstva

Koliko znamo danas, postoje dvije vrste električnog naboja: pozitivno i negativno. Elektroni imaju negativan naboj, dok protoni imaju pozitivan naboj.

Naboje istog znaka odbijaju, dok one suprotnog znaka privlače. To vrijedi za bilo koju vrstu električnog naboja, bilo točnog ili distribuiranog na objekt mjerljive dimenzije.

Nadalje, pažljivim eksperimentima je utvrđeno da naboj protona i elektrona ima točno jednaku veličinu.

Još jedna vrlo važna stvar koju treba uzeti u obzir je da je električni naboj kvantiziran. Do danas nisu pronađeni izolirani električni naboji veličine veće od naboja elektrona. Svi su oni višestruki od ovoga.

Konačno je sačuvan električni naboj. Drugim riječima, električni naboj se ne stvara niti uništava, već se može prenijeti s jednog objekta na drugi. Na ovaj način, ako je sustav izoliran, ukupno opterećenje ostaje konstantno.

Jedinice s električnim nabojem

Jedinica za električni naboj u Međunarodnom sustavu jedinica (SI) je Coulomb, skraćeno s velikim slovom C, u čast Charlesa A. Couloma (1736.-1806.), Koji je otkrio zakon koji nosi njegovo ime i opisuje interakciju između dva točaka naboja. O tome ćemo govoriti kasnije.

Električni naboj elektrona, koji je najmanji mogući koji se može izolirati u prirodi, ima veličinu:

Coulomb je prilično velika jedinica, pa se često koriste submultiple:

I kao što smo već spomenuli, znak e ^- negativan je. Naboj na protonu ima potpuno jednaku veličinu, ali s pozitivnim predznakom.

Znakovi su stvar konvencije, odnosno postoje dvije vrste električne energije i potrebno ih je razlikovati, stoga je jednom dodijeljen znak (-), a drugom znaku (+). Benjamin Franklin je to imenovao i iznio načelo očuvanja naboja.

Do Franklinovog vremena, unutrašnja struktura atoma još uvijek nije bila poznata, ali Franklin je primijetio da štap od stakla natopljen svilom postaje električno nabijen, nazivajući ovu vrstu električne energije pozitivnom.

Bilo koji objekt koji je privukao spomenuta struja imao je negativan predznak. Nakon otkrivanja elektrona uočeno je da ih nabijena staklena šipka privlači i tako je naboj elektrona postao negativan.

Coulombov zakon za točkaste naboje

Krajem 18. stoljeća Coulomb, francuski vojni inženjer, proveo je puno vremena proučavajući svojstva materijala, sile koje djeluju na grede i snagu trenja.

Ali najbolje ga pamti zakon koji nosi njegovo ime i koji opisuje interakciju između električnih naboja u dva točka.

Neka su dva električna naboja q ₁ i q ₂. Coulomb je utvrdio da je sila između njih, bilo privlačenja ili odbijanja, izravno proporcionalna proizvodu oba naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.

Matematički:

U ovoj jednadžbi F predstavlja veličinu sile, a r udaljenost između naboja. Za jednakost je potrebna konstanta proporcionalnosti, koja se naziva elektrostatička konstanta i označava se kao k _e.

Tako:

Dalje je Coulomb ustanovio da je sila usmjerena duž linije koja je spajala naboje. Dakle, ako je r jedinični vektor duž navedene linije, Coulomb-ov zakon kao vektor je:

Primjena Coulombova zakona

Coulomb je za svoje eksperimente upotrijebio uređaj zvan torzijska vaga. Kroz njega je bilo moguće utvrditi vrijednost elektrostatske konstante u:

Dalje ćemo vidjeti aplikaciju. Tri točke opterećenja uzima q _A, Q _B q _C koji su na mjesta prikazana na slici 2. izračunati neto snage na q _B.

Slika 2. Sila na negativni naboj izračunava se koristeći Coulombov zakon. Izvor: F. Zapata.

Naboj q _A privlači naboj q _B, jer imaju suprotne znakove. Isto se može reći o q _C. Dijagram izoliranog tijela nalazi se na slici 2 s desne strane na kojoj se opaža da su obje sile usmjerene duž okomite osi ili osi y i ima suprotne smjerove.

Neto sila na naboj q _B je:

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

Ostaje samo zamijeniti numeričke vrijednosti, vodeći računa da napišemo sve jedinice u Međunarodnom sustavu (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 i električna energija

Te dvije sile imaju isti matematički oblik. Naravno, razlikuju se u vrijednosti konstante proporcionalnosti i u tome što gravitacija djeluje s masama, dok električna energija djeluje s nabojima.

Ali važno je da obje ovise o obrnutoj kvadraturi udaljenosti.

Postoji jedinstvena vrsta mase i smatra se pozitivnom, tako da je gravitaciona sila uvijek privlačna, dok naboji mogu biti pozitivni ili negativni. Iz tog razloga, električne sile mogu biti privlačne ili odbojne, ovisno o slučaju.

I imamo ovaj detalj koji je izveden iz gore navedenog: svi objekti u slobodnom padu imaju isto ubrzanje, sve dok su blizu površine Zemlje.

Ali, oslobađamo li, primjerice, protona i elektrona u blizini napunjene ravnine, elektron će imati puno veće ubrzanje od protona. Nadalje, ubrzanja će imati suprotne smjerove.

Konačno, električni naboj se kvantizira, baš kao što je rečeno. To znači da možemo pronaći naboje 2,3 ili 4 puta veće od elektrona - ili od protona -, ali nikad 1,5 puta više od tog naboja. Masa, s druge strane, nije višestruka od jedne jedine mase.

U svijetu subatomskih čestica, električna sila premašuje gravitacijsku jačinu. Međutim, na makroskopskim vagama prevladava sila gravitacije. Gdje? Na razini planeta, Sunčevog sustava, galaksije i još mnogo toga.

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 5. Elektrostatika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6.. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6. skraćeno izdanje. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
5. Sears, Zemanski. 2016. Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14.. Ed. V 2.