PUNCTUL DE ÎNCĂRCARE: PROPRIETĂȚILE ȘI LEGEA COULOMBULUI - FIZIC - 2025

O sarcină punctuală , în contextul electromagnetismului, este acea sarcină electrică de dimensiuni atât de mici încât poate fi considerată un punct. De exemplu, particulele elementare care au o sarcină electrică, protonul și electronul, sunt atât de mici încât dimensiunile lor pot fi omise în multe aplicații. Având în vedere că o încărcare este orientată spre punct, face ca munca să-și calculeze interacțiunile și să înțeleagă proprietățile electrice ale materiei mult mai ușoară.

Particulele elementare nu sunt singurele care pot fi sarcini punctuale. Ele pot fi, de asemenea, molecule ionizate, sferele încărcate pe care le-a folosit Charles A. Coulomb (1736-1806) în experimentele sale și chiar Pământul în sine. Toate pot fi considerate sarcini punctuale, atât timp cât le vedem la distanțe mult mai mari decât dimensiunea obiectului.

Figura 1. Încărcările punctuale ale aceluiași semn se resping reciproc, în timp ce cele ale semnului opus se atrag. Sursa: Wikimedia Commons.

Deoarece toate corpurile sunt formate din particule elementare, sarcina electrică este o proprietate inerentă a materiei, la fel ca masa. Nu puteți avea un electron fără masă și, de asemenea, fără încărcare.

Proprietăți

Din câte știm astăzi, există două tipuri de încărcare electrică: pozitivă și negativă. Electronii au o sarcină negativă, în timp ce protonii au o sarcină pozitivă.

Taxele cu același semn se resping, în timp ce cele cu semn opus se atrag. Aceasta este valabilă pentru orice tip de sarcină electrică, punctuală sau distribuită pe un obiect de dimensiuni măsurabile.

Mai mult, experimente atente au descoperit că încărcătura pe proton și electron are exact aceeași mărime.

Un alt punct foarte important de luat în considerare este că sarcina electrică este cuantificată. Până în prezent, nu s-au găsit sarcini electrice izolate cu o magnitudine mai mică decât sarcina electronului. Toți sunt multipli ai acestui lucru.

În cele din urmă, încărcarea electrică este conservată. Cu alte cuvinte, sarcina electrică nu este nici creată, nici distrusă, dar poate fi transferată de la un obiect la altul. În acest fel, dacă sistemul este izolat, sarcina totală rămâne constantă.

Unități de încărcare electrică

Unitatea de încărcare electrică din Sistemul internațional de unități (SI) este Coulomb, prescurtată cu majuscule C, în onoarea lui Charles A. Coulomb (1736-1806), care a descoperit legea care îi poartă numele și descrie interacțiunea. între taxele de două puncte. Vom vorbi despre asta mai târziu.

Sarcina electrică a electronului, care este cea mai mică posibilă care poate fi izolată în natură, are o magnitudine de:

Coulomb este o unitate destul de mare, deci submultiplicele sunt adesea folosite:

Și cum am menționat anterior, semnul e ^- este negativ. Încărcarea pe proton are exact aceeași mărime, dar cu un semn pozitiv.

Semnele sunt o problemă de convenție, adică există două tipuri de electricitate și este necesar să le distingem, prin urmare, unuia i se atribuie un semn (-), iar celălalt semn (+). Benjamin Franklin a făcut această denumire și a enunțat, de asemenea, principiul conservării taxei.

Până la vremea lui Franklin, structura internă a atomului era încă necunoscută, dar Franklin observase că o tijă de sticlă frecată cu mătase devenea încărcată electric, ceea ce numea această energie electrică pozitivă.

Orice obiect care a fost atras de energia electrică menționată avea un semn negativ. După descoperirea electronului, s-a observat că tija de sticlă încărcată i-a atras, iar astfel încărcătura electronilor a devenit negativă.

Legea lui Coulomb pentru acuzații punctuale

La sfârșitul secolului al XVIII-lea, Coulomb, un inginer în armata franceză, a petrecut mult timp studiind proprietățile materialelor, forțele care acționează asupra grinzilor și forța de frecare.

Dar este cel mai bine amintit de legea care îi poartă numele și care descrie interacțiunea dintre sarcinile electrice în două puncte.

Fie două sarcini electrice q ₁ și q ₂ . Coulomb a stabilit că forța dintre ele, fie atracție, fie repulsie, era direct proporțională cu produsul ambelor sarcini și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

matematic:

În această ecuație, F reprezintă mărimea forței și r este distanța dintre sarcini. Egalitatea necesită o constantă de proporționalitate, care se numește constantă electrostatică și se notează ca k _e .

Prin urmare:

Mai mult, Coulomb a constatat că forța era direcționată de-a lungul liniei de legătură a taxelor. Deci, dacă r este vectorul unitar de-a lungul liniei menționate, legea lui Coulomb ca vector este:

Aplicarea legii lui Coulomb

Coulomb a folosit pentru experimentele sale un dispozitiv numit echilibru de torsiune. Prin intermediul acesteia a fost posibil să se stabilească valoarea constantei electrostatice în:

În continuare vom vedea o aplicație. Trei sarcini punctuale sunt luate q _A , q _B q _C , care sunt în pozițiile prezentate în figura 2. Se calculează forța netă pe q _B .

Figura 2. Forța asupra sarcinii negative este calculată folosind legea lui Coulomb. Sursa: F. Zapata.

Sarcina q _A atrage sarcina q _B , deoarece au semne opuse. Același lucru se poate spune și despre q _C . Diagrama corpului izolat este în figura 2 din dreapta, în care se observă că ambele forțe sunt direcționate de-a lungul axei verticale sau axa y și au direcții opuse.

Forța netă de încărcare q _B este:

F _R = F _AB + F _CB (Principiul suprapunerii)

Rămâne doar să înlocuim valorile numerice, având grijă să scriem toate unitățile din Sistemul Internațional (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

Gravitate și electricitate

Aceste două forțe au aceeași formă matematică. Desigur, acestea diferă în ceea ce privește valoarea constantei proporționalității și în aceea că gravitația funcționează cu mase, în timp ce energia electrică funcționează cu taxe.

Dar important este că ambele depind de inversul pătratului distanței.

Există un tip unic de masă și este considerată pozitivă, deci forța gravitațională este întotdeauna atractivă, în timp ce sarcinile pot fi pozitive sau negative. Din acest motiv, forțele electrice pot fi atractive sau respingătoare, în funcție de caz.

Și avem acest detaliu care este derivat din cele de mai sus: toate obiectele în cădere liberă au aceeași accelerație, atât timp cât sunt aproape de suprafața Pământului.

Dar dacă eliberăm un proton și un electron lângă un plan încărcat, de exemplu, electronul va avea o accelerație mult mai mare decât protonul. Mai mult, accelerațiile vor avea direcții opuse.

În cele din urmă, sarcina electrică este cuantificată, la fel cum s-a spus. Asta înseamnă că putem găsi încărcări de 2,3 sau 4 ori mai mari decât ale electronului - sau ale protonului -, dar niciodată de 1,5 ori această încărcare. Masele, pe de altă parte, nu sunt multipli ai unei mase unice.

În lumea particulelor subatomice, forța electrică o depășește pe cea gravitațională ca mărime. Cu toate acestea, pe scări macroscopice, forța gravitației este cea predominantă. Unde? La nivelul planetelor, sistemul solar, galaxia și multe altele.

Referințe

1. Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 5. Electrostatice. Editat de Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6-a. Sala Ed Prentice.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. A 6-a ediție prescurtată. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitatea de fizică cu fizică modernă. 14. Ed. V 2.