PUNTLADING: EIGENSCHAPPEN EN DE WET VAN COULOMB - FYSIEK - 2024

Een puntlading , in de context van elektromagnetisme, is die elektrische lading van zo kleine afmetingen dat het als een punt kan worden beschouwd. Zo zijn elementaire deeltjes die een elektrische lading hebben, het proton en het elektron, zo klein dat hun afmetingen in veel toepassingen achterwege kunnen blijven. Gezien het feit dat een lading puntgeoriënteerd is, wordt het veel gemakkelijker om de interacties ervan te berekenen en de elektrische eigenschappen van materie te begrijpen.

Elementaire deeltjes zijn niet de enige die puntladingen kunnen zijn. Het kunnen ook geïoniseerde moleculen zijn, de geladen bollen die Charles A. Coulomb (1736-1806) gebruikte bij zijn experimenten en zelfs de aarde zelf. Ze kunnen allemaal als puntladingen worden beschouwd, zolang we ze maar zien op afstanden die veel groter zijn dan de grootte van het object.

Figuur 1. Puntladingen van hetzelfde teken stoten elkaar af, terwijl die van het tegenovergestelde teken elkaar aantrekken. Bron: Wikimedia Commons.

Omdat alle lichamen zijn gemaakt van elementaire deeltjes, is elektrische lading een inherente eigenschap van materie, net als massa. Je kunt geen elektron hebben zonder massa, en ook niet zonder lading.

Eigendommen

Voor zover we vandaag weten, zijn er twee soorten elektrische lading: positief en negatief. Elektronen hebben een negatieve lading, terwijl protonen een positieve lading hebben.

Ladingen van hetzelfde teken stoten af, terwijl die van het tegenovergestelde teken aantrekken. Dit geldt voor elk type elektrische lading, hetzij punctueel, hetzij verdeeld over een object met meetbare afmetingen.

Bovendien ontdekten zorgvuldige experimenten dat de lading op het proton en het elektron precies dezelfde grootte heeft.

Een ander zeer belangrijk punt om te overwegen is dat de elektrische lading wordt gekwantiseerd. Tot op heden zijn er geen geïsoleerde elektrische ladingen gevonden die kleiner zijn dan de lading van het elektron. Het zijn allemaal veelvouden hiervan.

Ten slotte wordt de elektrische lading behouden. Met andere woorden, elektrische lading wordt niet gecreëerd of vernietigd, maar kan van het ene object naar het andere worden overgedragen. Op deze manier blijft de totale belasting constant als het systeem is geïsoleerd.

Eenheden van elektrische lading

De eenheid voor elektrische lading in het International System of Units (SI) is de Coulomb, afgekort met een hoofdletter C, ter ere van Charles A.Coulomb (1736-1806), die de wet ontdekte die zijn naam draagt ​​en die de interactie beschrijft tussen twee puntladingen. We zullen er later over praten.

De elektrische lading van het elektron, de kleinst mogelijke die in de natuur kan worden geïsoleerd, heeft een grootte van:

De Coulomb is een vrij grote eenheid, dus worden vaak submultiples gebruikt:

En zoals we eerder vermeldden, is het teken van e ^- negatief. De lading op het proton heeft exact dezelfde grootte, maar met een positief teken.

De tekens zijn een kwestie van afspraak, dat wil zeggen, er zijn twee soorten elektriciteit en het is noodzakelijk om ze te onderscheiden, daarom krijgt de ene een teken (-) en het andere teken (+). Benjamin Franklin maakte deze aanduiding, en verkondigde ook het principe van behoud van lading.

Tegen Franklins tijd was de interne structuur van het atoom nog onbekend, maar Franklin had opgemerkt dat een staaf glas die met zijde was ingewreven, elektrisch geladen werd, wat dit soort elektriciteit positief noemde.

Elk object dat door genoemde elektriciteit werd aangetrokken, had een negatief teken. Nadat het elektron was ontdekt, werd waargenomen dat de geladen glazen staaf hen aantrok, en zo werd de elektronenlading negatief.

De wet van Coulomb voor puntlasten

Aan het einde van de 18e eeuw besteedde Coulomb, een ingenieur in het Franse leger, een lange tijd aan het bestuderen van de eigenschappen van materialen, de krachten die op de balken inwerken en de wrijvingskracht.

Maar hij wordt het best herinnerd voor de wet die zijn naam draagt ​​en die de interactie beschrijft tussen tweepunts elektrische ladingen.

Laten we twee elektrische ladingen zijn q ₁ en q ₂ . Coulomb stelde vast dat de kracht tussen hen, hetzij aantrekking, hetzij afstoting, recht evenredig was met het product van beide ladingen, en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen hen.

Wiskundig:

In deze vergelijking vertegenwoordigt F de grootte van de kracht en is r de afstand tussen de ladingen. Gelijkheid vereist een evenredigheidsconstante, die de elektrostatische constante wordt genoemd en wordt aangeduid als k _e .

Dus:

Verder ontdekte Coulomb dat de kracht was gericht langs de verbindingslijn tussen de ladingen. Dus als r de eenheidsvector is langs die lijn, is de wet van Coulomb als vector:

Toepassing van de wet van Coulomb

Coulomb gebruikte voor zijn experimenten een apparaat dat een torsiebalans wordt genoemd. Hierdoor was het mogelijk om de waarde van de elektrostatische constante vast te stellen in:

Vervolgens zien we een applicatie. Drie puntlasten worden genomen q _A , q _B q _C die in de in figuur 2. Bereken de netto kracht over q posities _B .

Figuur 2. De kracht op de negatieve lading wordt berekend met behulp van de wet van Coulomb. Bron: F. Zapata.

De lading q _A trekt de lading q _{B aan} , omdat ze tegengestelde tekens hebben. Hetzelfde kan worden gezegd over q _C . Het geïsoleerde lichaamsdiagram is in figuur 2 aan de rechterkant, waarin wordt waargenomen dat beide krachten langs de verticale as of y-as zijn gericht en tegengestelde richtingen hebben.

De nettokracht op lading q _B is:

F _R = F _AB + F _CB (principe van superpositie)

Het blijft alleen om de numerieke waarden te vervangen, waarbij u ervoor zorgt dat alle eenheden in het internationale systeem (SI) worden geschreven.

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

Zwaartekracht en elektriciteit

Deze twee krachten hebben dezelfde wiskundige vorm. Natuurlijk verschillen ze in de waarde van de evenredigheidsconstante en doordat de zwaartekracht met massa werkt, terwijl elektriciteit met ladingen werkt.

Maar het belangrijkste is dat beide afhangen van de inverse van het kwadraat van de afstand.

Er is een uniek type massa en deze wordt als positief beschouwd, dus de zwaartekracht is altijd aantrekkelijk, terwijl ladingen positief of negatief kunnen zijn. Om deze reden kunnen de elektrische krachten aantrekkelijk of afstotend zijn, afhankelijk van het geval.

En we hebben dit detail dat is afgeleid van het bovenstaande: alle objecten in vrije val hebben dezelfde versnelling, zolang ze zich maar dicht bij het aardoppervlak bevinden.

Maar als we bijvoorbeeld een proton en een elektron loslaten in de buurt van een geladen vlak, zal het elektron een veel grotere versnelling hebben dan het proton. Bovendien zullen de versnellingen tegengestelde richtingen hebben.

Ten slotte wordt de elektrische lading gekwantiseerd, zoals gezegd. Dat betekent dat we ladingen kunnen vinden die 2,3 of 4 keer zo groot zijn als die van het elektron -of die van het proton-, maar nooit 1,5 keer deze lading. De massa daarentegen is geen veelvoud van een enkele massa.

In de wereld van subatomaire deeltjes is de elektrische kracht groter dan de zwaartekracht. Op macroscopische schaal is de zwaartekracht echter de overheersende factor. Waar? Op het niveau van de planeten, het zonnestelsel, de melkweg en meer.

Referenties

1. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 5. Elektrostatica. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Natuurkunde: een blik op de wereld. 6e verkorte editie. Cengage leren.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a strategy approach. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14e. Ed. V 2.