תשלום נקודה , בהקשר של אלקטרומגנטיות, הוא כי מטען חשמלי של ממדים קטנים כאלה, כי זה יכול להיחשב כנקודה. לדוגמא, חלקיקים אלמנטריים שיש להם מטען חשמלי, הפרוטון והאלקטרון, הם כה קטנים עד שניתן להשמיט את מימדיהם ביישומים רבים. ההתחשב בכך שמטען מכוון נקודה הופך את העבודה לחישוב האינטראקציות שלו והבנת התכונות החשמליות של החומר להרבה יותר קלה.
חלקיקים יסודיים אינם היחידים שיכולים להיות מטעני נקודה. הם יכולים להיות גם מולקולות מיוננות, הספירות הטעונות בהן השתמש צ'ארלס א. קולומב (1736-1806) בניסוייו ואפילו כדור הארץ עצמו. כל אלה יכולים להיחשב כמטענים נקודתיים, כל עוד אנו רואים אותם במרחקים גדולים בהרבה מגודל העצם.
איור 1. מטעני נקודה של אותו סימן דוחים זה את זה, ואילו אלה של הסימן ההפוך מושכים. מקור: Wikimedia Commons.
מכיוון שכל הגופים עשויים מחלקיקים אלמנטריים, מטען חשמלי הוא תכונה מובנית של חומר, ממש כמו מסה. אינך יכול לקבל אלקטרון ללא מסה, וגם ללא מטען.
נכסים
ככל הידוע לנו כיום, ישנם שני סוגים של מטען חשמלי: חיובי ושלילי. לאלקטרונים יש מטען שלילי, ואילו לפרוטונים יש מטען חיובי.
חיובים של אותו סימן דוחים, ואילו אלה של הסימן ההפוך מושכים. זה תקף לכל סוג של מטען חשמלי, דייקן או מופץ על גבי אובייקט בעל מידות מדידות.
יתר על כן, ניסויים מדוקדקים מצאו כי המטען על הפרוטון והאלקטרון הם בעלי אותו גודל בדיוק.
נקודה נוספת שחשוב מאוד לקחת בחשבון היא שהמטען החשמלי מכמת. נכון להיום לא נמצאו מטענים חשמליים מבודדים בסדר גודל פחות ממטען האלקטרון. כולם מכפילים של זה.
לבסוף נשמר המטען החשמלי. במילים אחרות, מטען חשמלי לא נוצר ולא נהרס, אך ניתן להעביר אותו מאובייקט אחד למשנהו. בדרך זו, אם המערכת מבודדת, העומס הכולל נשאר קבוע.
יחידות טעינה חשמלית
היחידה לטעינה חשמלית במערכת היחידות הבינלאומית (SI) היא קולומב, המקוצרת לבירה C, לכבוד צ'רלס א. קולומב (1736-1806), שגילה את החוק הנושא את שמו ומתאר את האינטראקציה בין שני חיובי נקודה. נדבר על זה בהמשך.
המטען החשמלי של האלקטרון, שהוא הקטן ביותר שניתן לבודד בטבע, הוא בעל גודל:
קולומב הוא יחידה די גדולה, ולכן לעתים קרובות משתמשים בתתי-תרופות:
וכפי שציינו קודם הסימן של e - שלילי. לטעינה על הפרוטון יש בדיוק אותו גודל, אך עם סימן חיובי.
השלטים הם עניין של מוסכמה, כלומר ישנם שני סוגים של חשמל ויש צורך להבדיל ביניהם, ולכן לאחד מוקצה שלט (-) והשלט השני (+). בנג'מין פרנקלין עשה את הכינוי הזה, וגם ביטל את עקרון שימור המטען.
בתקופתו של פרנקלין, המבנה הפנימי של האטום עדיין לא היה ידוע, אך פרנקלין הבחין כי מוט זכוכית שנשפשף במשי נהיה טעון חשמלי, מה שכינה חשמל מסוג זה חיובי.
לכל חפץ שנמשך על ידי החשמל האמור היה סימן שלילי. לאחר שהתגלה האלקטרון נצפתה כי מוט הזכוכית הטעון משך אותם וככה מטען האלקטרונים הפך לשלילי.
החוק של קולומב באשמת נקודה
בסוף המאה ה -18, קולומב, מהנדס בצבא הצרפתי, בילה זמן רב בחקר תכונות החומרים, הכוחות הפועלים על הקורות וכוח החיכוך.
אבל הוא זוכר הכי טוב בגלל החוק הנושא את שמו וזה שמתאר את האינטראקציה בין מטענים חשמליים דו-נקודתיים.
לאפשר להיות שני מטענים חשמליים q 1 ו- q 2 . קולומב קבע כי הכוח ביניהם, משיכה או דחיה, היה ביחס ישר לתוצר של שני המטענים, ויחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם.
מבחינה מתמטית:
במשוואה זו F מייצג את גודל הכוח ו- r הוא המרחק בין המטענים. שוויון דורש קבוע של מידתיות, המכונה הקבוע האלקטרוסטטי ומוגדר כ- k e .
לכן:
יתר על כן, קולומב מצא כי הכוח מופנה לאורך הקו המחבר בין המטענים. אז אם r הוא וקטור היחידה לאורך הקו האמור, החוק של קולומב כווקטור הוא:
יישום החוק של קולומב
קולומב השתמש במכשיר שנקרא איזון פיתול לצורך הניסויים שלו. דרכו ניתן היה לקבוע את ערך הקבוע האלקטרוסטטי ב:
בשלב הבא נראה יישום. שלושה המון נקודות הם לקחו q , q B q C הנמצאים בעמדות שמוצג באיור 2. לחשב את הכוח השקול על q B .
איור 2. הכוח על המטען השלילי מחושב באמצעות החוק של קולומב. מקור: פ. זפטה.
המטען q A מושך את המטען q B , מכיוון שיש להם סימנים הפוכים. אותו הדבר ניתן לומר על q C . דיאגרמת הגופה המבודדת נמצאת באיור 2 מימין, בה נצפה ששני הכוחות מופנים לאורך הציר האנכי או ציר ה- Y, וכיוונים מנוגדים.
הכוח נטו בנטען q B הוא:
F R = F AB + F CB (עקרון הסופרפוזיציה)
נותר רק להחליף את הערכים המספריים, ולהקפיד לכתוב את כל היחידות במערכת הבינלאומית (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
כוח משיכה וחשמל
לשני כוחות אלה יש אותה צורה מתמטית. כמובן שהם נבדלים זה מזה בערך הקבוע של המידתיות ובתור שכוח הכבידה עובד עם המונים, בעוד החשמל עובד עם מטענים.
אבל הדבר החשוב הוא ששניהם תלויים בהיפוך של ריבוע המרחק.
יש סוג מסה ייחודי והוא נחשב לחיובי, ולכן כוח הכבידה תמיד מושך, בעוד המטענים יכולים להיות חיוביים או שליליים. מסיבה זו, כוחות החשמל יכולים להיות מושכים או דוחים, תלוי במקרה.
ויש לנו את הפרט הזה שמקורו באמור לעיל: לכל העצמים שנמצאים בנפילה חופשית יש אותה תאוצה, כל עוד הם קרובים לפני השטח של כדור הארץ.
אבל אם נשחרר פרוטון ואלקטרון ליד מטוס טעון, למשל, לאלקטרון תהיה תאוצה גדולה בהרבה מהפרוטון. יתר על כן, לתאוצות כיוונים הפוכים.
לבסוף, המטען החשמלי מכמת, בדיוק כמו שאמר. המשמעות היא שאנו יכולים למצוא מטענים פי 2.3 או פי 4 מאלו של האלקטרון או זה של הפרוטון, אך לעולם לא פי 1.5 מטען זה. ההמונים, לעומת זאת, אינם כפלים של מסה אחת.
בעולם החלקיקים התת אטומיים, הכוח החשמלי עולה על הכוח הכבידתי שלו בעוצמה. עם זאת, במאזניים מקרוסקופיים כוח הכובד הוא השולט ביותר. איפה? ברמה של כוכבי הלכת, מערכת השמש, הגלקסיה ועוד.
הפניות
- Figueroa, D. (2005). סדרה: פיזיקה למדע והנדסה. אמצעי אחסון 5. אלקטרוסטטיקה. נערך על ידי דאגלס פיגארואה (USB).
- Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. 6. אולם אד פרנטיס.
- Kirkpatrick, L. 2007. פיזיקה: מבט על העולם. המהדורה המקוצר השישי. לימוד Cengage.
- Knight, R. 2017. פיזיקה למדעים והנדסה: גישה אסטרטגית. פירסון.
- סירס, זמנסקי. 2016. פיזיקה באוניברסיטה עם פיזיקה מודרנית. 14. Ed. V 2.