UNDANG-UNDANG COULOMB: PENJELASAN, FORMULA DAN UNIT, LATIHAN, EKSPERIMEN - FIZIKAL - 2026

Undang- undang Coulomb adalah undang -undang fizikal yang mengatur interaksi antara objek bercas elektrik. Itu diucapkan oleh saintis Perancis Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), berkat hasil percubaannya menggunakan keseimbangan kilasan.

Pada tahun 1785, Coulomb bereksperimen berkali-kali dengan sfera bermuatan elektrik kecil, misalnya menggerakkan dua sfera lebih dekat atau lebih jauh, yang berbeza-beza besarnya casnya dan juga tanda mereka. Sentiasa memerhatikan dan mencatat setiap jawapan dengan teliti.

Gambar 1. Skema yang menunjukkan interaksi antara cas elektrik titik menggunakan undang-undang Coulomb.

Sfera kecil ini dapat dianggap sebagai muatan titik, yaitu objek yang dimensinya tidak signifikan. Dan mereka memenuhi, seperti yang telah diketahui sejak zaman Yunani kuno, bahawa tuduhan penolakan tanda yang sama dan tanda yang berbeza menarik.

Gambar 2. Jurutera tentera Charles Coulomb (1736-1806) dianggap sebagai ahli fizik terpenting di Perancis. Sumber: Wikipedia Commons.

Dengan ini, Charles Coulomb menemui perkara berikut:

-Kekuatan daya tarikan atau tolakan antara caj dua titik berkadar terus dengan produk besaran caj.

-Saya kekuatan selalu diarahkan sepanjang garis yang bergabung dengan caj.

-Akhirnya, besarnya daya berkadar songsang dengan kuadrat jarak yang memisahkan cas.

Formula dan unit undang-undang Coulomb

Berkat pemerhatian ini, Coulomb menyimpulkan bahawa besarnya daya F antara dua titik cas q ₁ dan q ₂ , dipisahkan oleh jarak r, diberikan secara matematik sebagai:

Oleh kerana daya adalah magnitud vektor, untuk menyatakannya sepenuhnya unit vektor r didefinisikan dalam arah garis yang bergabung dengan cas (vektor unit mempunyai magnitud sama dengan 1).

Selain itu, pemalar berkadar yang diperlukan untuk mengubah ungkapan sebelumnya menjadi persamaan disebut k _e atau sekadar k: pemalar elektrostatik atau pemalar Coulomb.

Akhirnya, undang-undang Coulomb ditetapkan untuk caj titik, yang diberikan oleh:

Force, seperti biasa dalam Sistem Unit Antarabangsa, datang dalam newton (N). Mengenai caj tersebut, unit ini diberi nama coulomb (C) untuk menghormati Charles Coulomb dan akhirnya jarak r datang dalam meter (m).

Melihat persamaan di atas, jelas bahawa pemalar elektrostatik mesti mempunyai unit Nm ² / C ² , untuk mendapatkan hasilnya. Nilai pemalar ditentukan secara eksperimen sebagai:

k _e = 8.89 x 10 ⁹ Nm ² / C ² ≈ 9 x 10 ⁹ Nm ² / C ²

Gambar 1 menggambarkan interaksi antara dua cas elektrik: apabila mereka mempunyai tanda yang sama, mereka menghalau, jika tidak, ia menarik.

Perhatikan bahawa undang-undang Coulomb sesuai dengan undang-undang ketiga atau undang-undang tindakan dan reaksi Newton, oleh itu magnitud F ₁ dan F ₂ sama, arahnya sama, tetapi arahnya berlawanan.

Cara menerapkan undang-undang Coulomb

Untuk menyelesaikan masalah interaksi antara cas elektrik, perkara berikut mesti diambil kira:

- Persamaan berlaku secara eksklusif dalam hal caj titik, iaitu objek bermuatan elektrik tetapi dimensi yang sangat kecil. Sekiranya objek yang dimuat mempunyai dimensi yang dapat diukur, adalah perlu untuk membaginya menjadi beban yang sangat kecil dan kemudian menambahkan sumbangan setiap beban ini, yang diperlukan pengiraan integral.

- Daya elektrik adalah kuantiti vektor. Sekiranya terdapat lebih daripada dua cas berinteraksi, daya bersih pada cas q _i diberikan oleh prinsip superposisi:

_Bersih F = F _i1 + F _i2 + F _i3 + F _i4 +… = ∑ F _ij

Di mana langganan j adalah 1, 2, 3, 4 … dan mewakili setiap baki caj.

- Anda mesti sentiasa konsisten dengan unit. Yang paling biasa adalah bekerja dengan pemalar elektrostatik pada unit SI, jadi anda harus memastikan bahawa casnya berada dalam coulomb dan jarak dalam meter.

- Akhirnya, persamaan berlaku apabila caj berada dalam keseimbangan statik.

Latihan yang diselesaikan

- Latihan 1

Dalam rajah berikut terdapat cas dua titik + q dan + 2q. Caj titik ketiga –q diletakkan di P. Ia diminta untuk mencari daya elektrik pada cas ini kerana kehadiran yang lain.

Rajah 3. Diagram untuk latihan yang telah diselesaikan 1. Sumber: Giambattista, A. Fizik.

Penyelesaian

Perkara pertama adalah mewujudkan sistem rujukan yang sesuai, yang dalam hal ini adalah paksi mendatar atau paksi x. Asal sistem sedemikian boleh berada di mana saja, tetapi untuk kemudahan ia akan diletakkan di P, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4a:

Gambar 4. Skema latihan yang telah diselesaikan 1. Sumber: Giambattista, A. Fizik.

Gambarajah daya pada –q juga ditunjukkan, dengan mengambil kira bahawa daya tarikan oleh dua yang lain (gambar 4b).

Mari kita sebut F ₁ daya yang diberikan oleh muatan q pada muatan –q, mereka diarahkan sepanjang paksi-x dan menunjuk ke arah negatif, oleh itu:

Secara analogi, F ₂ dikira :

Perhatikan bahawa magnitud F ₂ adalah separuh daripada F ₁ , walaupun casnya dua kali ganda. Untuk mencari daya bersih, akhirnya F ₁ dan F ₂ ditambahkan secara vektor :

- Latihan 2

Dua bola polistirena dengan jisim sama m = 9.0 x 10 ^-8 kg mempunyai muatan positif Q yang sama dan digantung oleh benang sutera dengan panjang L = 0.98 m. Sfera dipisahkan dengan jarak d = 2 cm. Hitungkan nilai Q.

Penyelesaian

Situasi penyataan tersebut dijelaskan dalam rajah 5a.

Gambar 5. Skema penyelesaian latihan 2. Sumber: Giambattista, A. Fizik / F. Zapata.

Kami memilih salah satu sfera dan di atasnya kami melukis rajah badan terpencil, yang merangkumi tiga daya: berat W , ketegangan pada tali T, dan tolakan elektrostatik F, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 5b. Dan sekarang langkah-langkahnya:

Langkah 1

Nilai θ / 2 dikira dengan segitiga dalam rajah 5c:

θ / 2 = arcsen (1 x 10 ^-2 /0.98) = 0.585º

Langkah 2

Selanjutnya kita mesti menerapkan undang-undang kedua Newton dan menetapkannya sama dengan 0, kerana caj berada dalam keseimbangan statik. Penting untuk diperhatikan bahawa ketegangan T cenderung dan mempunyai dua komponen:

∑F _x = -T. Sin θ + F = 0

∑F _y = T.cos θ - W = 0

Langkah 3

Kami menyelesaikan besarnya tekanan dari persamaan terakhir:

T = W / cos θ = mg / cos θ

Langkah 4

Nilai ini diganti menjadi persamaan pertama untuk mencari magnitud F:

F = T sin θ = mg (sin θ / cos θ) = mg. tg θ

Langkah 5

Oleh kerana F = k Q ² / d ² , kami menyelesaikan untuk Q:

Q = 2 × 10 ^-11 C.

Percubaan

Memeriksa undang-undang Coulomb mudah menggunakan keseimbangan kilasan yang serupa dengan yang digunakan Coulomb di makmalnya.

Terdapat dua sfera elderberry kecil, salah satunya, satu di tengah skala, digantung oleh utas. Eksperimen ini terdiri daripada menyentuh sfera elderberry yang dilepaskan dengan sfera logam lain yang dibebankan dengan cas Q.

Rajah 6. keseimbangan kilasan Coulomb.

Segera caj tersebut dibahagi sama rata di antara dua bidang elderberry, tetapi kemudian, kerana mereka adalah caj tanda yang sama, mereka saling tolak. Kekuatan bertindak pada sfera yang digantung yang menyebabkan putaran benang dari mana ia digantung dan segera bergerak menjauh dari sfera tetap.

Kemudian kita melihat bahawa ia berayun beberapa kali sehingga mencapai keseimbangan. Kemudian kilasan rod atau benang yang menahannya diimbangi oleh daya tolakan elektrostatik.

Sekiranya pada awalnya sfera berada pada 0º, sekarang sfera yang bergerak akan memutar sudut θ. Di sekeliling skala, ada pita yang bergraduat dalam darjah untuk mengukur sudut ini. Dengan sebelumnya menentukan pemalar kilasan, maka daya tolakan dan nilai cas yang diperoleh oleh sfera elderberry mudah dikira.

Rujukan

1. Figueroa, D. 2005. Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 5. Elektrostatik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Fizik. Edisi kedua. Bukit McGraw.
3. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. Ke-6. Dewan Ed Prentice.
4. Resnick, R. 1999. Fizik. Jilid 2. Edisi ke-3 Dalam Bahasa Sepanyol. Compañía Editorial Continental SA de CV
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizik Universiti dengan Fizik Moden. 14hb. Ed. Jilid 2.