PUAN YÜKÜ: ÖZELLIKLER VE COULOMB YASASI - FIZIKSEL - 2025

Elektromanyetizma bağlamında bir nokta yük , bir nokta olarak düşünülebilecek kadar küçük boyutlardaki elektriksel yüktür. Örneğin, bir elektrik yüküne sahip olan temel parçacıklar, proton ve elektron o kadar küçüktür ki, boyutları birçok uygulamada göz ardı edilebilir. Bir yükün nokta odaklı olduğunu düşünmek, etkileşimlerini hesaplama ve maddenin elektriksel özelliklerini anlama işini çok daha kolay hale getirir.

Nokta şarj olabilenler yalnızca temel parçacıklar değildir. Ayrıca iyonize moleküller, Charles A. Coulomb'un (1736-1806) deneylerinde kullandığı yüklü küreler ve hatta Dünya'nın kendisi olabilirler. Nesnenin boyutundan çok daha büyük mesafelerde gördüğümüz sürece, hepsi nokta yükler olarak kabul edilebilir.

Şekil 1. Aynı burcun nokta yükleri birbirini iter, zıt burcunki ise çeker. Kaynak: Wikimedia Commons.

Tüm cisimler temel parçacıklardan oluştuğundan, elektrik yükü, tıpkı kütle gibi maddenin doğal bir özelliğidir. Kütlesi olmayan bir elektrona sahip olamazsınız ve ayrıca yüksüz olamazsınız.

Özellikleri

Bugün bildiğimiz kadarıyla iki tür elektrik yükü vardır: pozitif ve negatif. Elektronlar negatif yüke sahipken, protonlar pozitif yüke sahiptir.

Aynı işaretin yükleri itici olurken, zıt işaretin yükleri çeker. Bu, anlık veya ölçülebilir boyutlara sahip bir nesneye dağıtılmış her tür elektrik yükü için geçerlidir.

Dahası, dikkatli deneyler, proton ve elektron üzerindeki yükün tam olarak aynı büyüklükte olduğunu buldu.

Dikkate alınması gereken bir diğer önemli nokta, elektrik yükünün nicelleştirilmesidir. Bugüne kadar, elektronun yükünden daha küçük bir büyüklükte izole elektrik yükü bulunamamıştır. Bunların hepsi bunun katları.

Son olarak, elektrik yükü korunur. Başka bir deyişle, elektrik yükü ne yaratılır ne de yok edilir, ancak bir nesneden diğerine aktarılabilir. Bu şekilde sistem izole edilirse toplam yük sabit kalır.

Elektrik yükü birimleri

Uluslararası Birim Sistemindeki (SI) elektrik yükü birimi, adını taşıyan yasayı keşfeden ve etkileşimi tanımlayan Charles A. iki nokta yükü arasında. Bunun hakkında daha sonra konuşacağız.

Doğada izole edilebilecek en küçük olasılık olan elektronun elektrik yükü şu büyüklüktedir:

Coulomb oldukça büyük bir birimdir, bu nedenle alt katmanlar sıklıkla kullanılır:

Ve daha önce de bahsettiğimiz gibi, e ^- işareti negatiftir. Proton üzerindeki yük tam olarak aynı büyüklükte, ancak pozitif bir işarete sahip.

İşaretler bir konvansiyon meselesidir, yani iki tür elektrik vardır ve bunları ayırt etmek gerekir, bu nedenle birine bir işaret (-) ve diğer işaret (+) atanır. Benjamin Franklin bu atamayı yaptı ve ayrıca yükün korunumu ilkesini açıkladı.

Franklin'in zamanına gelindiğinde atomun iç yapısı hala bilinmiyordu, ancak Franklin, ipekle ovalanmış bir cam çubuğun elektriksel olarak yüklendiğini gözlemlemiş ve bu tür elektriği pozitif olarak adlandırmıştı.

Söz konusu elektriğin çektiği herhangi bir nesnenin negatif işareti vardı. Elektron keşfedildikten sonra, yüklü cam çubuğun onları çektiği ve elektron yükünün bu şekilde negatif hale geldiği görüldü.

Puan ücretleri için Coulomb yasası

18. yüzyılın sonunda, Fransız ordusunda bir mühendis olan Coulomb, malzemelerin özelliklerini, kirişlere etki eden kuvvetleri ve sürtünme kuvvetini incelemek için çok zaman harcadı.

Ama en iyi, adını taşıyan ve iki nokta elektrik yükü arasındaki etkileşimi tanımlayan yasa ile hatırlanıyor.

Izin vermek iki elektrik yükü q ₁ ve q _{2 olsun} . Coulomb, aralarındaki kuvvetin, ister çekim ister itme olsun, her iki yükün ürünüyle doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu belirledi.

Matematiksel olarak:

Bu denklemde, F kuvvetin büyüklüğünü ve r yükler arasındaki mesafeyi temsil eder. Eşitlik, elektrostatik sabit olarak adlandırılan ve k _e olarak adlandırılan bir orantılılık sabiti gerektirir .

Böylece:

Ayrıca Coulomb, kuvvetin yükleri birleştiren çizgi boyunca yönlendirildiğini buldu. Öyleyse, eğer r söz konusu doğrudaki birim vektörse, vektör olarak Coulomb yasası:

Coulomb yasasının uygulanması

Coulomb, deneyleri için burulma dengesi adı verilen bir cihaz kullandı. Bu sayede elektrostatik sabitin değerini şu şekilde belirlemek mümkün oldu:

Sonra bir uygulama göreceğiz. Üç nokta yükleri vardır alınan q _A , q, _B q _C Şekil 2. hesaplamak q net kuvvet gösterilen pozisyonda _B .

Şekil 2. Negatif yük üzerindeki kuvvet, Coulomb yasası kullanılarak hesaplanır. Kaynak: F. Zapata.

Q _A yükü q _B yükünü çeker , çünkü zıt işaretleri vardır. Aynı şey q _C için de söylenebilir . İzole edilmiş gövde diyagramı, her iki kuvvetin de dikey eksen veya y ekseni boyunca yönlendiği ve zıt yönlere sahip olduğu görüldüğü sağda şekil 2'de yer almaktadır.

Q _B yükü üzerindeki net kuvvet :

F _R = F _AB + F _CB (Süperpozisyon ilkesi)

Uluslararası Sistemdeki (SI) tüm birimleri yazmaya özen göstererek yalnızca sayısal değerleri ikame etmeye devam eder.

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

Yerçekimi ve elektrik

Bu iki kuvvet aynı matematiksel forma sahiptir. Elbette, orantılılık sabitinin değeri bakımından farklılık gösterirler ve bu yerçekimi kütlelerle çalışırken elektrik yüklerle çalışır.

Ancak önemli olan, her ikisinin de uzaklığın karesinin tersine bağlı olmasıdır.

Eşsiz bir kütle türü vardır ve pozitif olarak kabul edilir, bu nedenle yerçekimi kuvveti her zaman çekicidir, yükler pozitif veya negatif olabilir. Bu nedenle, elektriksel kuvvetler duruma bağlı olarak çekici veya itici olabilir.

Ve yukarıdan türetilen bu ayrıntıya sahibiz: Serbest düşüşteki tüm nesneler, Dünya yüzeyine yakın oldukları sürece aynı ivmeye sahiptir.

Ancak, örneğin yüklü bir düzlemin yakınında bir proton ve bir elektron salarsak, elektron protondan çok daha büyük bir ivmeye sahip olacaktır. Dahası, ivmelerin ters yönleri olacaktır.

Son olarak, söylendiği gibi elektrik yükü nicelleştirilir. Bu, elektronunkinden 2.3 veya 4 kat fazla yük bulabileceğimiz anlamına gelir - ya da protonun - ama asla bu yükün 1.5 katı. Öte yandan kitleler tek bir kütlenin katları değildir.

Atom altı parçacıkların dünyasında, elektrik kuvveti, büyüklük olarak yerçekimi kuvvetini aşıyor. Bununla birlikte, makroskopik ölçeklerde, yerçekimi kuvveti baskındır. Nerede? Gezegenler, güneş sistemi, galaksi ve daha fazlası düzeyinde.

Referanslar

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 5. Elektrostatik. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
2. Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. 6. Ed Prentice Hall.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Dünyaya Bir Bakış. 6. kısaltılmış baskı. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Modern Fizikle Üniversite Fiziği. 14. Ed. V 2.