จุดชาร์จ: คุณสมบัติและกฎของคูลอมบ์ - กายภาพ - 2025

จุดประจุในบริบทของแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นที่ค่าไฟฟ้าขนาดเล็กดังกล่าวว่าได้รับการพิจารณาจุด ตัวอย่างเช่นอนุภาคมูลฐานที่มีประจุไฟฟ้าโปรตอนและอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากจนสามารถมองข้ามมิติได้ในหลาย ๆ แอปพลิเคชัน การพิจารณาว่าประจุเป็นแบบจุดทำให้งานคำนวณปฏิสัมพันธ์และทำความเข้าใจคุณสมบัติทางไฟฟ้าของสสารได้ง่ายขึ้นมาก

อนุภาคมูลฐานไม่ใช่อนุภาคเดียวที่สามารถเป็นประจุไฟฟ้าได้ นอกจากนี้ยังสามารถเป็นโมเลกุลที่แตกตัวเป็นไอออนซึ่งเป็นทรงกลมที่มีประจุไฟฟ้าที่ Charles A. Coulomb (1736-1806) ใช้ในการทดลองของเขาและแม้แต่โลกเอง ทั้งหมดถือได้ว่าเป็นจุดประจุตราบเท่าที่เราเห็นมันในระยะทางที่มากกว่าขนาดของวัตถุมาก

รูปที่ 1 จุดประจุของเครื่องหมายเดียวกันขับไล่กันและกันในขณะที่เครื่องหมายตรงข้ามดึงดูด ที่มา: Wikimedia Commons

เนื่องจากร่างกายทั้งหมดสร้างจากอนุภาคมูลฐานประจุไฟฟ้าจึงเป็นสมบัติโดยธรรมชาติของสสารเช่นเดียวกับมวล คุณไม่สามารถมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีมวลและไม่มีประจุ

คุณสมบัติ

เท่าที่เราทราบในปัจจุบันมีสองประเภทของประจุไฟฟ้าคือบวกและลบ อิเล็กตรอนมีประจุลบในขณะที่โปรตอนมีประจุบวก

ค่าใช้จ่ายของเครื่องหมายเดียวกันขับไล่ในขณะที่เครื่องหมายตรงข้ามดึงดูด ใช้ได้กับประจุไฟฟ้าทุกประเภทไม่ว่าจะตรงต่อเวลาหรือกระจายไปตามวัตถุที่มีขนาดที่วัดได้

นอกจากนี้การทดลองอย่างรอบคอบพบว่าประจุของโปรตอนและอิเล็กตรอนมีขนาดเท่ากันทุกประการ

อีกประเด็นที่สำคัญมากที่ต้องพิจารณาคือค่าไฟฟ้าถูกวัดปริมาณ จนถึงปัจจุบันไม่พบประจุไฟฟ้าแยกที่มีขนาดน้อยกว่าประจุของอิเล็กตรอน พวกเขาทั้งหมดนี้ทวีคูณ

ในที่สุดประจุไฟฟ้าจะได้รับการอนุรักษ์ กล่าวอีกนัยหนึ่งประจุไฟฟ้าไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย แต่สามารถถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งได้ ด้วยวิธีนี้หากระบบถูกแยกออกภาระทั้งหมดจะคงที่

หน่วยของประจุไฟฟ้า

หน่วยสำหรับประจุไฟฟ้าในระบบหน่วยสากล (SI) คือคูลอมบ์ซึ่งย่อมาจากเมืองหลวง C เพื่อเป็นเกียรติแก่ Charles A. Coulomb (1736-1806) ผู้ค้นพบกฎหมายที่มีชื่อของเขาและอธิบายถึงปฏิสัมพันธ์ ระหว่างค่าใช้จ่ายสองจุด เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในภายหลัง

ประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนซึ่งมีค่าน้อยที่สุดที่สามารถแยกได้ในธรรมชาติมีขนาด:

คูลอมบ์เป็นหน่วยที่ค่อนข้างใหญ่ดังนั้นจึงมักใช้ subultiples:

และดังที่เราได้กล่าวไปแล้วเครื่องหมายของ e ^-เป็นลบ ประจุของโปรตอนมีขนาดเท่ากันทุกประการ แต่มีเครื่องหมายบวก

สัญญาณเป็นเรื่องของการประชุมนั่นคือไฟฟ้ามีสองประเภทและจำเป็นต้องแยกความแตกต่างดังนั้นจึงมีการกำหนดเครื่องหมาย (-) และเครื่องหมายอื่น (+) เบนจามินแฟรงคลินเป็นผู้กำหนดนี้และยังอธิบายหลักการอนุรักษ์ประจุ

เมื่อถึงเวลาของแฟรงคลินโครงสร้างภายในของอะตอมยังไม่ทราบแน่ชัด แต่แฟรงคลินสังเกตว่าแท่งแก้วที่ถูด้วยไหมกลายเป็นประจุไฟฟ้าเรียกว่ากระแสไฟฟ้าชนิดนี้เป็นบวก

วัตถุใด ๆ ที่ถูกดึงดูดด้วยกระแสไฟฟ้าดังกล่าวมีเครื่องหมายลบ หลังจากค้นพบอิเล็กตรอนพบว่าแท่งแก้วที่มีประจุดึงดูดพวกมันและนี่คือการที่ประจุของอิเล็กตรอนกลายเป็นลบ

กฎหมายของคูลอมบ์สำหรับการคิดคะแนน

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 18 คูลอมบ์วิศวกรในกองทัพฝรั่งเศสใช้เวลาส่วนใหญ่ในการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุแรงที่กระทำกับคานและแรงเสียดทาน

แต่เขาจำได้ดีที่สุดสำหรับกฎหมายที่มีชื่อของเขาและนั่นอธิบายถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าสองจุด

อนุญาตเป็นคิวสองค่าใช้จ่ายไฟฟ้า₁และคิว2 คูลอมบ์ระบุว่าแรงระหว่างทั้งสองไม่ว่าจะเป็นแรงดึงดูดหรือแรงผลักเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของประจุทั้งสองและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกเขา

ศาสตร์:

ในสมการนี้ F แทนขนาดของแรงและ r คือระยะห่างระหว่างประจุ ความเท่าเทียมกันต้องใช้อย่างต่อเนื่องของสัดส่วนซึ่งเรียกว่าคงไฟฟ้าสถิตและมีการแสดงเป็น k อี

ดังนั้น:

นอกจากนี้คูลอมบ์พบว่าแรงถูกส่งไปตามเส้นที่เชื่อมต่อกับประจุ ดังนั้นถ้าrเป็นเวกเตอร์หน่วยตามเส้นดังกล่าวกฎของคูลอมบ์เป็นเวกเตอร์คือ:

การใช้กฎหมายของคูลอมบ์

คูลอมบ์ใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าสมดุลแรงบิดสำหรับการทดลองของเขา ด้วยวิธีนี้คุณสามารถกำหนดค่าของค่าคงที่ไฟฟ้าสถิตได้ใน:

ต่อไปเราจะเห็นแอปพลิเคชัน สามโหลดจุดจะ นำ Q , Q _B Q _Cที่อยู่ในตำแหน่งที่แสดงในรูปที่ 2 การคำนวณแรงสุทธิ Q B

รูปที่ 2. แรงของประจุลบคำนวณโดยใช้กฎของคูลอมบ์ ที่มา: F. Zapata

ประจุ q _Aดึงดูดประจุ q _Bเนื่องจากมีเครื่องหมายตรงกันข้าม เช่นเดียวกับที่ได้กล่าวเกี่ยวกับคิวซี แผนภาพร่างกายที่แยกได้อยู่ในรูปที่ 2 ทางด้านขวาซึ่งสังเกตได้ว่าแรงทั้งสองถูกนำไปตามแกนแนวตั้งหรือแกน y และมีทิศทางตรงกันข้ามกัน

แรงสุทธิของประจุ q _Bคือ:

F _R = F _AB + F _CB (หลักการซ้อนทับ)

มันยังคงแทนที่ค่าตัวเลขโดยดูแลให้เขียนหน่วยทั้งหมดในระบบสากล (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

แรงโน้มถ่วงและไฟฟ้า

แรงทั้งสองนี้มีรูปแบบทางคณิตศาสตร์เหมือนกัน แน่นอนว่าค่าคงที่ของสัดส่วนต่างกันและในแรงโน้มถ่วงนั้นทำงานกับมวลในขณะที่กระแสไฟฟ้าทำงานโดยมีประจุ

แต่สิ่งสำคัญคือทั้งสองขึ้นอยู่กับค่าผกผันของกำลังสองของระยะทาง

มีมวลที่ไม่ซ้ำกันและถือว่าเป็นบวกดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงน่าดึงดูดเสมอในขณะที่ประจุสามารถเป็นบวกหรือลบได้ ด้วยเหตุนี้แรงเคลื่อนไฟฟ้าจึงน่าดึงดูดหรือน่ารังเกียจขึ้นอยู่กับกรณี

และเรามีรายละเอียดที่ได้มาจากสิ่งที่กล่าวมา: วัตถุทั้งหมดในการตกอย่างอิสระมีความเร่งเท่ากันตราบใดที่วัตถุเหล่านั้นอยู่ใกล้กับพื้นผิวโลก

แต่ถ้าเราปล่อยโปรตอนและอิเล็กตรอนใกล้ระนาบที่มีประจุไฟฟ้าอิเล็กตรอนจะมีความเร่งมากกว่าโปรตอนมาก นอกจากนี้การเร่งความเร็วจะมีทิศทางตรงกันข้าม

ในที่สุดประจุไฟฟ้าจะถูกวัดปริมาณเช่นเดียวกับที่กล่าว นั่นหมายความว่าเราสามารถหาประจุได้ 2.3 หรือ 4 เท่าของอิเล็กตรอน - หรือของโปรตอน - แต่ไม่เคยเป็น 1.5 เท่าของประจุนี้ ในทางกลับกันมวลไม่ใช่ทวีคูณของมวลเดี่ยวบางส่วน

ในโลกของอนุภาคย่อยของอะตอมนั้นแรงไฟฟ้าเกินกว่าแรงดึงดูดในขนาด อย่างไรก็ตามในเครื่องชั่งขนาดใหญ่แรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่โดดเด่น ที่ไหน? ในระดับของดาวเคราะห์ระบบสุริยะกาแล็กซี่และอื่น ๆ

อ้างอิง

1. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่มที่ 5. ไฟฟ้าสถิต. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
2. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 Ed Prentice Hall
3. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage
4. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
5. เซียร์เซมันสกี้ 2559. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่. วันที่ 14 เอ็ด V 2.