CAJ POIN: HARTA TANAH DAN UNDANG-UNDANG COULOMB - FIZIKAL - 2026

A caj titik , dalam konteks elektromagnetisme, adalah bahawa caj elektrik dimensi kecil supaya ia boleh dianggap satu mata. Sebagai contoh, zarah unsur yang mempunyai muatan elektrik, proton dan elektron, sangat kecil sehingga dimensinya dapat dihilangkan dalam banyak aplikasi. Memandangkan bahawa cas berorientasikan titik menjadikan tugas menghitung interaksinya dan memahami sifat elektrik jirim lebih mudah.

Zarah unsur bukan satu-satunya yang boleh menjadi cas titik. Mereka juga boleh menjadi molekul terion, sfera bermuatan yang digunakan oleh Charles A. Coulomb (1736-1806) dalam eksperimennya dan bahkan Bumi itu sendiri. Semua boleh dianggap sebagai titik muatan, asalkan kita melihatnya pada jarak jauh lebih besar daripada ukuran objek.

Gambar 1. Tuduhan titik tanda yang sama saling tolak, sementara tanda bertentangan menarik. Sumber: Wikimedia Commons.

Oleh kerana semua badan terbuat dari zarah unsur, muatan elektrik adalah sifat jirim yang melekat, sama seperti jisim. Anda tidak boleh mempunyai elektron tanpa jisim, dan juga tidak tanpa cas.

Hartanah

Setakat yang kita ketahui hari ini, terdapat dua jenis cas elektrik: positif dan negatif. Elektron mempunyai cas negatif, sementara proton mempunyai cas positif.

Tuduhan tanda yang sama menolak, sementara tanda bertentangan menarik. Ini berlaku untuk sebarang jenis cas elektrik, tepat pada waktunya atau diedarkan ke atas objek dengan ukuran yang dapat diukur.

Selanjutnya, eksperimen yang teliti mendapati bahawa cas pada proton dan elektron mempunyai magnitud yang sama.

Perkara lain yang sangat penting untuk dipertimbangkan adalah bahawa cas elektrik dihitung. Sehingga kini, tiada cas elektrik terpencil dengan magnitud kurang daripada cas elektron. Kesemuanya adalah gandaan dari ini.

Akhirnya, cas elektrik dijimatkan. Dengan kata lain, cas elektrik tidak diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat dipindahkan dari satu objek ke objek lain. Dengan cara ini, jika sistem diasingkan, jumlah beban tetap berterusan.

Unit cas elektrik

Unit untuk cas elektrik dalam Sistem Antarabangsa Unit (SI) adalah Coulomb, disingkat dengan modal C, untuk menghormati Charles A. Coulomb (1736-1806), yang menemui undang-undang yang menanggung namanya dan menggambarkan interaksi antara caj dua titik. Kami akan membincangkannya kemudian.

Cas elektrik elektron, sekecil mungkin yang boleh diasingkan di alam, mempunyai magnitud:

Coulomb adalah unit yang cukup besar, jadi submultiples sering digunakan:

Dan seperti yang telah kami sebutkan sebelumnya, tanda e ^- adalah negatif. Cas pada proton mempunyai magnitud yang sama, tetapi dengan tanda positif.

Tanda-tanda itu adalah masalah kebiasaan, iaitu, terdapat dua jenis elektrik dan perlu membezakannya, oleh itu satu diberi tanda (-) dan satu lagi tanda (+). Benjamin Franklin membuat penunjukan ini, dan juga menyatakan prinsip pemeliharaan caj.

Pada masa Franklin, struktur dalaman atom masih belum diketahui, tetapi Franklin telah memerhatikan bahawa sebatang batang kaca yang digosok dengan sutera menjadi terisi elektrik, menjadikan elektrik seperti ini positif.

Apa-apa objek yang tertarik dengan elektrik tersebut mempunyai tanda negatif. Setelah elektron ditemui, diperhatikan bahawa batang kaca bermuatan menarik mereka, dan ini adalah bagaimana cas elektron menjadi negatif.

Undang-undang Coulomb untuk caj titik

Pada akhir abad ke-18, Coulomb, seorang jurutera tentera Perancis, menghabiskan masa yang lama untuk mengkaji sifat-sifat bahan, kekuatan yang bertindak pada balok, dan kekuatan geseran.

Tetapi dia paling diingati untuk undang-undang yang menanggung namanya dan yang menggambarkan interaksi antara cas elektrik dua titik.

Biarkan dua cas elektrik q ₁ dan q ₂ . Coulomb menetapkan bahawa kekuatan di antara mereka, sama ada daya tarikan atau tolakan, berkadar langsung dengan produk kedua-dua cas tersebut, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.

Secara matematik:

Dalam persamaan ini, F mewakili besarnya daya dan r adalah jarak antara cas. Kesaksamaan memerlukan pemalar berkadar, yang disebut pemalar elektrostatik dan dilambangkan sebagai k _e .

Oleh itu:

Selanjutnya Coulomb mendapati bahawa kekuatan itu diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan tuduhan. Jadi, jika r adalah vektor unit sepanjang garis tersebut, hukum Coulomb sebagai vektor adalah:

Pemakaian undang-undang Coulomb

Coulomb menggunakan peranti yang disebut keseimbangan kilasan untuk eksperimennya. Melaluinya dapat menentukan nilai pemalar elektrostatik dalam:

Selanjutnya kita akan melihat aplikasi. Tiga beban titik yang diambil q _A , q _B q _C yang berada dalam kedudukan yang ditunjukkan dalam Rajah 2. mengira daya bersih pada q _B .

Rajah 2. Daya pada muatan negatif dikira menggunakan undang-undang Coulomb. Sumber: F. Zapata.

Cas q _A menarik cas q _B , kerana mereka mempunyai tanda bertentangan. Perkara yang sama boleh dikatakan tentang q _C . Gambarajah badan terpencil adalah pada gambar 2 di sebelah kanan, di mana diperhatikan bahawa kedua-dua daya diarahkan sepanjang paksi menegak atau paksi y, dan mempunyai arah yang bertentangan.

Daya bersih pada cas q _B adalah:

F _R = F _AB + F _CB (Prinsip superposisi)

Hanya tinggal menggantikan nilai-nilai berangka, dengan berhati-hati menulis semua unit dalam Sistem Antarabangsa (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

Graviti dan elektrik

Kedua-dua daya ini mempunyai bentuk matematik yang sama. Sudah tentu, mereka berbeza dalam nilai pemalar berkadar dan graviti berfungsi dengan jisim, sementara elektrik berfungsi dengan cas.

Tetapi yang penting adalah kedua-duanya bergantung pada pembalikan segiempat jarak.

Terdapat jenis jisim yang unik dan dianggap positif, jadi daya gravitasi selalu menarik, sementara cas boleh positif atau negatif. Atas sebab ini, daya elektrik boleh menarik atau tolak, bergantung pada casingnya.

Dan kami mempunyai perincian ini yang berasal dari perkara di atas: semua objek dalam jatuh bebas mempunyai pecutan yang sama, asalkan mereka dekat dengan permukaan Bumi.

Tetapi jika kita melepaskan proton dan elektron berhampiran satah yang dicas, misalnya, elektron akan mempunyai pecutan yang jauh lebih besar daripada proton. Tambahan pula, pecutan akan berlawanan arah.

Akhirnya, cas elektrik dihitung, seperti yang dikatakan. Ini bererti bahawa kita dapat mencari cas 2,3 atau 4 kali daripada elektron -atau proton-, tetapi tidak pernah 1,5 kali cas ini. Sebaliknya, jisim tidak berlipat ganda dari satu jisim tunggal.

Dalam dunia zarah subatom, daya elektrik melebihi satu graviti pada magnitud. Walau bagaimanapun, pada skala makroskopik, gaya graviti adalah yang utama. Di mana? Di peringkat planet, sistem suria, galaksi dan banyak lagi.

Rujukan

1. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 5. Elektrostatik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. Ke-6. Dewan Ed Prentice.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Pandangan Dunia. Edisi ringkasan ke-6. Pembelajaran Cengage.
4. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizik Universiti dengan Fizik Moden. 14hb. Ed. V 2.