A تهمة نقطة ، في سياق الكهرومغناطيسية، هو أن شحنة كهربائية ذات الأبعاد الصغيرة التي يمكن اعتبارها نقطة. على سبيل المثال ، الجسيمات الأولية التي لها شحنة كهربائية ، البروتون والإلكترون ، صغيرة جدًا بحيث يمكن حذف أبعادها في العديد من التطبيقات. بالنظر إلى أن الشحنة موجهة نحو النقطة ، فإن مهمة حساب تفاعلاتها وفهم الخصائص الكهربائية للمادة أسهل بكثير.
الجسيمات الأولية ليست هي الوحيدة التي يمكن أن تكون شحنة نقطية. يمكن أن تكون أيضًا جزيئات متأينة ، وهي الكرات المشحونة التي استخدمها تشارلز أ. كولوم (1736-1806) في تجاربه وحتى الأرض نفسها. يمكن اعتبار جميعها رسومًا نقطية ، طالما نراها على مسافات أكبر بكثير من حجم الجسم.
الشكل 1. الشحنات النقطية للعلامة نفسها تتنافر فيما بينها ، بينما تجتذب رسوم الإشارة المعاكسة. المصدر: ويكيميديا كومنز.
نظرًا لأن جميع الأجسام تتكون من جسيمات أولية ، فإن الشحنة الكهربائية هي خاصية متأصلة للمادة ، تمامًا مثل الكتلة. لا يمكن أن يكون لديك إلكترون بدون كتلة ، وأيضًا ليس بدون شحن.
الخصائص
بقدر ما نعلم اليوم ، هناك نوعان من الشحنات الكهربائية: موجبة وسالبة. الإلكترونات لها شحنة سالبة ، بينما البروتونات لها شحنة موجبة.
تتنافر رسوم نفس العلامة ، بينما تتجاذب رسوم الإشارة المعاكسة. هذا صالح لأي نوع من الشحنات الكهربائية ، سواء كانت دقيقة أو موزعة على جسم ذي أبعاد قابلة للقياس.
علاوة على ذلك ، وجدت التجارب الدقيقة أن شحنة البروتون والإلكترون لها نفس الحجم تمامًا.
نقطة أخرى مهمة للغاية يجب مراعاتها هي أن الشحنة الكهربائية مكمية. حتى الآن ، لم يتم العثور على شحنات كهربائية منفصلة بحجم أقل من شحنة الإلكترون. كلهم مضاعفات لهذا.
أخيرًا ، يتم الحفاظ على الشحنة الكهربائية. بمعنى آخر ، لا يتم إنشاء الشحنة الكهربائية أو إتلافها ، ولكن يمكن نقلها من كائن إلى آخر. بهذه الطريقة ، إذا تم عزل النظام ، يظل الحمل الإجمالي ثابتًا.
وحدات الشحنة الكهربائية
وحدة الشحنة الكهربائية في النظام الدولي للوحدات (SI) هي كولوم ، والمختصرة بحرف C الكبير ، تكريماً لتشارلز أ. كولوم (1736-1806) ، الذي اكتشف القانون الذي يحمل اسمه ويصف التفاعل بين شحنتين نقطتين. سنتحدث عنها لاحقا.
الشحنة الكهربية للإلكترون ، وهي أصغر شحنة ممكنة يمكن عزلها في الطبيعة ، لها حجم:
الكولون هو وحدة كبيرة إلى حد ما ، لذلك غالبًا ما يتم استخدام الأضلاع الفرعية:
وكما ذكرنا من قبل ، فإن علامة e - سلبية. شحنة البروتون لها نفس المقدار تمامًا ، لكن بعلامة موجبة.
العلامات هي مسألة اصطلاح ، أي أن هناك نوعين من الكهرباء ولا بد من التمييز بينهما ، لذلك يتم تخصيص علامة (-) واحدة وإشارة أخرى (+). قام بنجامين فرانكلين بهذا التعيين ، كما أعلن مبدأ الحفاظ على الشحنة.
بحلول وقت فرانكلين ، كان التركيب الداخلي للذرة لا يزال غير معروف ، لكن فرانكلين لاحظ أن قضيبًا من الزجاج يفرك بالحرير أصبح مشحونًا كهربائيًا ، واصفًا هذا النوع من الكهرباء بالإيجابية.
أي شيء تجذبه الكهرباء المذكورة له علامة سلبية. بعد اكتشاف الإلكترون ، لوحظ أن قضيب الزجاج المشحون جذبهم ، وهكذا أصبحت شحنة الإلكترون سالبة.
قانون كولوم لرسوم النقاط
في نهاية القرن الثامن عشر ، أمضى كولومب ، وهو مهندس في الجيش الفرنسي ، وقتًا طويلاً في دراسة خصائص المواد والقوى المؤثرة على الحزم وقوة الاحتكاك.
لكن من الأفضل تذكره بالقانون الذي يحمل اسمه والذي يصف التفاعل بين الشحنات الكهربائية ذات النقطتين.
يجب أن تكون شحنتان كهربائيتان q 1 و q 2. قرر كولوم أن القوة بينهما ، سواء كانت جاذبية أو تنافر ، تتناسب طرديًا مع ناتج كلتا الشحنتين ، وتتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينهما.
رياضيا:
في هذه المعادلة ، تمثل F مقدار القوة و r هي المسافة بين الشحنات. تتطلب المساواة ثابت التناسب ، وهو ما يسمى الثابت الكهروستاتيكي ويشار إليه بالرمز k e.
بهذا الشكل:
علاوة على ذلك ، وجد كولومب أن القوة كانت موجهة على طول الخط الذي يربط الشحنات. لذلك ، إذا كان r هو متجه الوحدة على طول الخط المذكور ، فإن قانون كولوم كمتجه هو:
تطبيق قانون كولوم
استخدم كولوم في تجاربه جهازًا يسمى ميزان الالتواء. من خلال ذلك كان من الممكن تحديد قيمة الثابت الإلكتروستاتيكي في:
بعد ذلك سنرى تطبيقًا. وثلاثة الأحمال نقطة تؤخذ ف A ، ف B ف C التي هي في المواقف هو مبين في الشكل 2. حساب القوة الصافية على ف B.
الشكل 2. القوة المؤثرة على الشحنة السالبة محسوبة باستخدام قانون كولوم. المصدر: F. Zapata.
الشحنة q A تجذب الشحنة q B ، لأن لها إشارات معاكسة. ونفس الشيء يمكن أن يقال عن س C. يوجد مخطط الجسم المعزول في الشكل 2 على اليمين ، حيث يُلاحظ أن كلا القوتين يتم توجيههما على طول المحور الرأسي أو المحور الصادي ، ولهما اتجاهات متعاكسة.
القوة الكلية على الشحنة q B هي:
F R = F AB + F CB (مبدأ التراكب)
يبقى فقط استبدال القيم العددية ، مع الحرص على كتابة جميع الوحدات في النظام الدولي (SI).
F AB = 9.0 × 10 9 × 1 × 10-9 × 2 × 10-9 / (2 × 10 -2) 2 نيوتن (+ ص) = 0.000045 (+ ص) ن
F CB = 9.0 × 10 9 × 2 × 10 -9 × 2 × 10 -9 / (1 × 10 -2) 2 N (- ص) = 0.00036 (- ذ) N
F R = F AB + F CB = 0.000045 (+ y) + 0.00036 (- y) N = 0.000315 (- y) N
الجاذبية والكهرباء
هاتان القوتان لها نفس الشكل الرياضي. بالطبع ، يختلفون في قيمة ثابت التناسب ، وفي أن الجاذبية تعمل مع الكتل ، بينما تعمل الكهرباء بالشحنات.
لكن الشيء المهم هو أن كلاهما يعتمد على معكوس مربع المسافة.
هناك نوع فريد من الكتلة ويعتبر موجبًا ، لذا فإن قوة الجاذبية دائمًا ما تكون جذابة ، بينما الشحنات يمكن أن تكون موجبة أو سالبة. لهذا السبب ، يمكن أن تكون القوى الكهربائية جذابة أو مثيرة للاشمئزاز ، حسب الحالة.
ولدينا هذه التفاصيل التالية مما سبق: كل الأجسام في السقوط الحر لها نفس التسارع ، طالما أنها قريبة من سطح الأرض.
ولكن إذا أطلقنا بروتونًا وإلكترونًا بالقرب من مستوى مشحون ، على سبيل المثال ، فسيكون للإلكترون تسارع أكبر بكثير من تسارع البروتون. علاوة على ذلك ، سيكون للتسارع اتجاهات معاكسة.
أخيرًا ، يتم تحديد مقدار الشحنة الكهربائية ، تمامًا كما ذكرنا. هذا يعني أنه يمكننا إيجاد شحنة تبلغ 2.3 أو 4 أضعاف شحنة الإلكترون - أو تلك الخاصة بالبروتون - ، لكن ليس بإمكاننا أبدًا إيجاد 1.5 مرة هذه الشحنة. من ناحية أخرى ، الجماهير ليست من مضاعفات كتلة واحدة.
في عالم الجسيمات دون الذرية ، تتجاوز القوة الكهربائية قوة الجاذبية من حيث الحجم. ومع ذلك ، على المقاييس العيانية ، فإن قوة الجاذبية هي السائدة. أين؟ على مستوى الكواكب والنظام الشمسي والمجرة وغيرها.
المراجع
- فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 5. الكهرباء الساكنة. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
- جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. السادس. إد برنتيس هول.
- كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. الطبعة السادسة المختصرة. سينجاج ليرنينج.
- Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
- سيرز ، زيمانسكي. 2016. الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة. الرابع عشر. إد. الخامس 2.