Proprietà del carico puntuali e legge di Coulomb

UN Carico puntuale, Nel contesto dell'elettromagnetismo, è quella carica elettrica di dimensioni così piccole, che può essere considerata un punto. Ad esempio, le particelle elementari con carica elettrica, protone ed elettrone, sono così piccole che le loro dimensioni possono essere omesse in numerose applicazioni. Considera che un carico è puntuale facilita il lavoro di calcolo delle sue interazioni e comprendere le proprietà elettriche della questione.

Le particelle elementari non sono le uniche che possono essere carichi specifici. Le molecole ionizzate possono anche essere, le sfere caricate a cui Charles era solita. Coulomb (1736-1806) nei suoi esperimenti e persino nella stessa terra. Tutti possono essere considerati carichi specifici, purché li vediamo a distanze molto più grandi della dimensione dell'oggetto.

Figura 1. I carichi specifici dello stesso segno vengono respinti, mentre il segno opposto viene attratto. Fonte: Wikimedia Commons.

Poiché tutti i corpi sono fatti di particelle elementari, la carica elettrica è una proprietà intrinseca della materia, proprio come la massa. Non puoi avere un elettrone senza massa, e nemmeno senza carico.

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Proprietà

Per quanto ne sappiamo oggi, ci sono due tipi di carica elettrica: positivo e negativo. Gli elettroni hanno un carico di tipo negativo, mentre i protoni lo hanno positivo.

I carichi dello stesso segno vengono respinti, mentre il segno opposto è attratto. Questo è valido per qualsiasi tipo di carica elettrica, puntuale o distribuito su un oggetto di dimensioni misurabili.

Inoltre, attenti esperimenti hanno scoperto che il carico di protoni e l'elettrone hanno esattamente la stessa grandezza.

Un altro punto molto importante da considerare è che la carica elettrica è quantizzata. Ad oggi, carichi elettrici isolati non sono stati trovati inferiori al carico di elettroni. Tutti sono multipli di questo.

Infine, la carica elettrica viene conservata. In altre parole, la carica elettrica non viene creata né distrutta, ma può essere trasferita da un oggetto a un altro. In questo modo, se il sistema è isolato, il carico totale rimane costante.

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Unità di carica elettrica

L'unità per la carica elettrica nel sistema internazionale di unità (SI) è Coulomb, abbreviata con una capitale C, in onore di Charles a. Coulomb (1736-1806), che ha scoperto la legge che porta il suo nome e descrive l'interazione tra due accuse specifiche. Più tardi ne parleremo.

La carica elettronica elettronica, che è la più piccola possibile che può essere isolata in natura, ha una grandezza di:

E^- = 1.6 x 10 ^-16 C

Coulomb è un'unità abbastanza grande, quindi vengono spesso usati sottomulini:

-1 Mili C = 1 mc = 1 x 10^-3 C

-1 micro c = 1 μc = 1 x 10^-6 C

-1 nano c = 1 nc = 1 x 10^-9 C

E come abbiamo già detto prima, il segno di E^- È negativo. Il carico del protone ha esattamente la stessa grandezza, ma con un segno positivo.

I segni sono una questione di convenzione, cioè ci sono due tipi di elettricità ed è necessario distinguerli, quindi uno è assegnato il segno (-) e l'altro segno (+). Benjamin Franklin ha fatto questa designazione e ha anche enunciato il principio di conservazione del carico.

Per i tempi di Franklin, la struttura interna dell'atomo era ancora sconosciuta, ma Franklin aveva osservato che una barra di vetro strofinata di seta era stata caricata elettricamente, definendo questo tipo di elettricità positiva.

Qualsiasi oggetto attratto da tale elettricità, aveva un segno negativo. Dopo che l'elettrone è stato scoperto, è stato osservato che la barra di vetro caricata li ha attirati, ed è così che il carico di elettroni era negativo.

Legge di Coulomb per carichi specifici

Alla fine del 18 ° secolo, Coulomb, un ingegnere dell'esercito francese, ha dedicato molto tempo a studiare le proprietà dei materiali, le forze che agiscono sui raggi e la forza di attrito.

Ma è più ricordato dalla legge che porta il suo nome e descrive l'interazione tra due spese elettriche specifiche.

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Lascia che due cariche elettriche Q₁ E Q₂. Coulomb ha stabilito che la forza tra loro, già per attrazione o repulsione, era direttamente proporzionale al prodotto di entrambe le cariche e inversamente proporzionale alla piazza della distanza tra loro.

Matematicamente:

F∝ Q₁ . Q₂ / R²

In questa equazione, F rappresenta l'entità della forza e R È la distanza che separa i carichi. L'uguaglianza richiede una costante di proporzionalità, che si chiama costante elettrostatica ed è indicata come K_E.

Così:

F = k. Q₁ . Q₂ /R²

Coulomb ha anche scoperto che la forza era diretta lungo la linea che si unisce ai carichi. Allora si R È il vettore dell'unità lungo quella linea, la legge di Coulomb come vettore è:

 Questa forma della legge di Coulomb si applica solo a carichi specifici.

Applicazione della legge di Coulomb 

Coulomb ha usato un dispositivo chiamato Equilibrio di torsione Per i tuoi esperimenti. Attraverso di esso, il valore della costante elettrostatica potrebbe essere stabilito in:

K_E = 8.99 x 10⁹ N m²/C² ≈ 9.0 x 10⁹ N m²/C²

Successivamente vedremo un'applicazione. Hai tre carichi specifici che_A, Q_B e q_C Trovato nelle posizioni indicate nella Figura 2. Calcoliamo la forza netta su Q_B.

figura 2. La forza sul carico negativo viene calcolata dalla legge di Coulomb. Fonte: f. Zapata.

Il carico q_A attira il carico q_B, Perché sono segni opposti. Lo stesso si può dire di Q_C. Il diagramma del corpo isolato è nella Figura 2 a destra, che mostra che entrambe le forze sono dirette lungo l'asse verticale o l'asse y e hanno sensi opposti.

La forza netta sul carico Q_B È:

F_R = F_Ab + F_CB (Principio di sovrapposizione)

Resta solo da sostituire i valori numerici, facendo attenzione a scrivere tutte le unità nel sistema internazionale (SI).

F_Ab = 9.0 x 10⁹ x 1 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (2 x 10^-2) ² N (+E) = 0.000045 (+E) N

F_Cb = 9.0 x 10⁹ x 2 x 10^-9 x 2 x 10^-9 / (1 x 10^-2) ² N (-E) = 0.00036 (-E) N

F_R = F_Ab + F_Cb = 0.000045 (+E) + 0.00036 (-E) N = 0.000315 (-E) N

Gravità ed elettricità

Queste due forze hanno la stessa forma matematica. Naturalmente, differiscono per il valore della costante di proporzionalità e in cui la gravità lavora con le masse, mentre l'elettricità lo fa con carichi.

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Ma la cosa importante è che entrambi dipendono dall'inverso al quadrato della distanza.

Esiste un tipo unico di massa ed è considerata positiva, quindi la forza gravitazionale è sempre attraente, mentre le cariche possono essere positive o negative. Pertanto, le forze elettriche possono essere attrazioni o repulsioni, a seconda dei casi.

E abbiamo questo dettaglio che deriva da quanto sopra: tutti gli oggetti in caduta libera hanno la stessa accelerazione, mentre sono vicino alla superficie della terra.

Ma se rilasciamo un protone e un elettrone vicino a un piano caricato, ad esempio, l'elettrone avrà un'accelerazione molto maggiore di quella del protone. Inoltre, le accelerazioni avranno sensi opposti.

Infine, la carica elettrica è quantizzata, come indicato. Ciò significa che possiamo trovare carichi 2,3 o 4 volte quello dell'elettrone -o quello del protone, ma mai 1.5 volte questo carico. Le masse invece non sono multipli di massa unica.

Nel mondo delle particelle subatomiche, la forza elettrica supera l'entità gravitazionale. Tuttavia, alle scale macroscopiche, la forza di gravità è quella che predomina. Dove? A livello dei pianeti, il sistema solare, della galassia e altro ancora.

Riferimenti

1. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 5. Elettrostatica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, d. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, l. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6a edizione abbreviata. Apprendimento del Cengage.
4. Cavaliere, r. 2017. Fisica per scienziati e ingegneria: un approccio strategico. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisica universitaria con fisica moderna. 14 °. Ed. V 2.