Come le cariche si respingono e le cariche opposte si attraggono, ma quanto è grande questa forza di attrazione? Proprio come hai un'equazione per calcolare la forza di gravità tra due masse, esiste anche una formula per determinare la forza elettrica tra due cariche.

L'unità SI della carica elettrica è la Coulomb (C) e la i portatori di carica fondamentale sono il protone, con carica + e
, e l'elettrone, con carica -e
, dove la carica elementare e
\u003d 1.602 × 10 ^{-19 C. Per questo motivo, l'accusa di un oggetto è talvolta rappresentata come multiplo di e
.
Legge di Coulomb}

Legge di Coulomb, dal nome del fisico francese Charles-Augustin de Coulomb , fornisce la forza elettrica tra due cariche punti q _{1
e q 2
una distanza di separazione r
a parte come:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2}}

Dove la costante k
è la costante di Coulomb, k
\u003d 8.99 × 10 ^{9 Nm 2 /C 2.}

L'unità SI per la forza elettrica è il Newton (N), così come lo è con tutte le forze. La direzione del vettore di forza è verso l'altra carica (attraente) per cariche opposte e lontana dall'altra carica (repulsiva) se le cariche sono uguali.

La legge di Coulomb, proprio come la forza di gravità tra due masse, è una legge quadrata inversa. Ciò significa che diminuisce come il quadrato inverso della distanza tra due cariche. In altre parole, le cariche che sono due volte distanti subiscono un quarto della forza. Ma mentre questa carica diminuisce con la distanza, non va mai a zero e quindi ha un raggio infinito.

Per trovare la forza su una data carica a causa di più altre cariche, usi la legge di Coulomb per determinare la forza sulla carica a causa di ciascuna delle altre cariche individualmente, quindi aggiungi la somma vettoriale delle forze per ottenere il risultato finale.
Perché la legge di Coulomb è importante?

Elettricità statica: la legge di Coulomb è il motivo per cui ottieni scioccato quando si tocca una maniglia dopo aver attraversato il tappeto.

Quando si sfregano i piedi sul tappeto, gli elettroni si trasferiscono per attrito lasciandoti con una carica netta. Tutte le spese in eccesso su di te si respingono a vicenda. Quando la tua mano raggiunge la maniglia della porta, un conduttore, quell'eccesso di carica fa il salto, causando una scossa!

La forza elettrica è molto più potente della gravità: mentre ci sono molte somiglianze tra la forza elettrica e la forza gravitazionale forza, la forza elettrica ha una forza relativa di 10 ^{36 volte quella della forza gravitazionale!}

La gravità ci sembra grande solo perché la terra a cui siamo bloccati è così grande, e la maggior parte degli oggetti sono elettricamente neutro, nel senso che hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni.

Atomi interni: la legge di Coulomb è rilevante anche per le interazioni tra i nuclei atomici. Due nuclei carichi positivamente si respingono a vicenda a causa della forza coulomb a meno che non siano abbastanza vicini da far vincere la forte forza nucleare (che provoca invece l'attrazione dei protoni ma agisce solo a una distanza molto breve).

Questo ecco perché è necessaria un'alta energia per fondere i nuclei: le forze repulsive iniziali devono essere superate. La forza elettrostatica è anche il motivo per cui gli elettroni sono attratti dai nuclei atomici in primo luogo ed è il motivo per cui la maggior parte degli oggetti sono elettricamente neutri.

Polarizzazione: un oggetto carico, quando viene avvicinato all'oggetto neutro, provoca le nuvole di elettroni attorno gli atomi nell'oggetto neutro per ridistribuire se stessi. Questo fenomeno si chiama polarizzazione
.

Se l'oggetto caricato è stato caricato negativamente, le nuvole di elettroni vengono spinte verso il lato opposto degli atomi, facendo sì che le cariche positive negli atomi siano leggermente più vicine delle cariche negative nell'atomo. (Il contrario si verifica se si avvicina un oggetto a carica positiva.

La legge di Coulomb ci dice che la forza di attrazione tra l'oggetto a carica negativa e le cariche positive nell'oggetto neutro sarà leggermente più forte di la forza repulsiva tra l'oggetto caricato negativamente e l'oggetto neutro a causa delle distanze relative tra cariche.

Di conseguenza, anche se un oggetto è tecnicamente neutro, ci sarà comunque attrazione. Ecco perché un pallone carico si attacca a una parete neutra!
Esempi da studiare

Esempio 1: Una carica di + 2_e_ e una carica di -2_e_ sono separate da una distanza di 0,5 cm. Qual è l'entità della forza di Coulomb tra di loro?

Usando la legge di Coulomb e assicurandoti di convertire cm in m, otterrai:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d ( 8.99 \\ times 10 ^ 9) \\ frac {(2 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19}) (- 2 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19})} {0.005 ^ 2} \u003d -3.69 \\ times 10 ^ {-23} \\ text {N}

Il segno negativo indica che questa è una forza attraente.

Esempio 2: Tre cariche siedono ai vertici di un triangolo equilatero. Il vertice in basso a sinistra è una carica di -4_e_. Il vertice in basso a destra è una carica di + 2_e_ e il vertice in alto è una carica di + 3_e_. Se i lati del triangolo sono 0,8 mm, qual è la forza netta sulla carica + 3_e_?

Per risolvere, è necessario determinare l'entità e la direzione delle forze dovute a ciascuna carica individualmente, quindi utilizzare aggiunta vettoriale per trovare il risultato finale.

Forza tra -4_e_ e + 3_e_ carica:

L'entità di questa forza è data da:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d (8.99 \\ times 10 ^ 9) \\ frac {(- 4 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19}) (3 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19})} {0.0008 ^ 2} \u003d -4.33 \\ times 10 ^ {- 21} \\ text {N}

Poiché queste cariche hanno segni opposti, questa è una forza attraente e punta lungo il lato sinistro del triangolo verso la carica -4_e_.

La forza tra la carica + 2_e_ e + 3_e_:

L'entità di questa forza è data da:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d (8.99 \\ volte 10 ^ 9) \\ frac {(2 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19}) (3 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19})} {0.0008 ^ 2} \u003d 2.16 \\ times 10 ^ {- 21} \\ text {N}

Poiché queste cariche hanno lo stesso segno, si tratta di una forza e di punti repulsivi direttamente dalla carica + 2_e_.

Se si assume un sistema di coordinate standard e si rompe ogni vettore di forza in componenti, si ottiene:

Aggiunta di x
e y
componenti dà:

Quindi usi il teorema di Pitagora per trovare l'entità della forza:
F_ {net} \u003d \\ sqrt {(- 3.245 \\ times 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1.88 \\ times 10 ^ {- 21}) ^ 2} \u003d 3.75 \\ times 10 ^ {- 21} \\ text {N}

E la trigonometria ti dà la direzione:
\\ theta \u003d \\ tan ^ {- 1} \\ frac {F_ {nety}} {F_ {netx}} \u003d \\ tan ^ {- 1} \\ frac {(- 1.88 \\ times 10 ^ {- 21})} {(- 3.245 \\ times 10 ^ {- 21})} \u003d 30

La direzione è 30 gradi sotto l'asse negativo x
(o 30 gradi sotto l'orizzontale a sinistra.)