BATAS NI COULOMB: PALIWANAG, PORMULA AT MGA YUNIT, EHERSISYO, EKSPERIMENTO - PISIKAL - 2025

Ang batas ng Coulomb ay ang pisikal na batas na namamahala sa pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga bagay na kinasuhan ng elektrikal. Ito ay binigkas ng siyentipikong Pranses na si Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), salamat sa mga resulta ng kanyang mga eksperimento gamit ang balanse ng torsion.

Noong 1785, ang Coulomb ay nag-eksperimento ng hindi mabilang na mga oras na may maliit na sisingilin na elektrikal, tulad ng paglipat ng dalawang spheres na mas malapit o mas malayo, na nag-iiba sa laki ng kanilang singil at din ang kanilang pag-sign. Laging maingat na pag-obserba at pagtatala ng bawat sagot.

Larawan 1. Scheme na nagpapakita ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga singil ng kuryente gamit ang batas ni Coulomb.

Ang mga maliliit na spheres ay maaaring isaalang-alang bilang mga singil sa point, iyon ay, mga bagay na ang mga sukat ay hindi gaanong mahalaga. At natutupad nila, tulad ng nakilala mula pa noong panahon ng mga sinaunang Griyego, na ang mga singil ng parehong pag-sign repel at ang ibang kakaibang sign ay nakakaakit.

Larawan 2. Ang inhinyero ng militar na si Charles Coulomb (1736-1806) ay itinuturing na pinakamahalagang pisiko sa Pransya. Pinagmulan: Wikipedia Commons.

Sa pag-iisip nito, natagpuan ni Charles Coulomb ang sumusunod:

-Ang puwersa ng pang-akit o pagtanggi sa pagitan ng dalawang mga singil sa puntong ay direktang proporsyonal sa produkto ng kadakilaan ng mga singil.

-Ang lakas ay palaging nakadirekta kasama ang linya na sumali sa mga singil.

- Sa kabuuan, ang lakas ng puwersa ay pabalik-balik na proporsyonal sa parisukat ng distansya na naghihiwalay sa mga singil.

Formula at mga yunit ng batas ng Coulomb

Salamat sa mga obserbasyong ito, napagpasyahan ni Coulomb na ang kadakilaan ng puwersa F sa pagitan ng dalawang mga singil sa point q ₁ at q ₂ , na pinaghiwalay ng isang distansya r, ay ibinigay sa matematika bilang:

Bilang ang lakas ay isang magnitude ng vector, upang maipahayag ito nang lubusan ang isang yunit ng vector r ay tinukoy sa direksyon ng linya na sumali sa mga singil (ang isang yunit ng vector ay may magnitude na katumbas ng 1).

Bilang karagdagan, ang pare-pareho ng proporsyonal na kinakailangan upang ibahin ang anyo ng nakaraang expression sa isang pagkakapantay-pantay ay tinatawag na k _e o simpleng k: ang electrostatic na pare-pareho o patuloy na Coulomb.

Sa wakas, ang batas ng Coulomb ay itinatag para sa mga singil sa point, na ibinigay ng:

Ang puwersa, tulad ng lagi sa International System of Units, ay papasok sa newton (N). Tungkol sa mga singil, ang yunit ay pinangalanang coulomb (C) bilang paggalang kay Charles Coulomb at sa wakas ang distansya r ay dumating sa mga metro (m).

Ang pagtingin sa malapit sa equation sa itaas, malinaw na ang pare-pareho ng electrostatic ay dapat magkaroon ng mga yunit ng Nm ² / C ² , upang makakuha ng mga newtons bilang isang resulta. Ang halaga ng palagiang tinutukoy ng eksperimento bilang:

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

Ang Figure 1 ay naglalarawan ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang mga singil sa kuryente: kapag ang mga ito ay magkatulad na pag-sign na kanilang itinakwil, kung hindi man sila ay nakakaakit.

Tandaan na ang batas ng Coulomb ay sumasang-ayon sa ikatlong batas o batas ng pagkilos at reaksyon ng Newton, samakatuwid ang mga magnitude ng F ₁ at F ₂ ay pantay, pareho ang direksyon, ngunit ang mga direksyon ay kabaligtaran.

Paano ilapat ang batas ni Coulomb

Upang malutas ang mga problema ng mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga singil sa kuryente, ang mga sumusunod ay dapat isaalang-alang:

- Ang ekwasyon ay inilalapat eksklusibo sa kaso ng mga singil sa point, iyon ay, electrically sisingilin mga bagay ngunit napakaliit na sukat. Kung ang mga naka-load na bagay ay may sukat na sukat, kinakailangan upang hatiin ang mga ito sa napakaliit na naglo-load at pagkatapos ay idagdag ang mga kontribusyon ng bawat isa sa mga naglo-load na ito, kung saan kinakailangan ang isang integral na pagkalkula.

- Ang lakas ng koryente ay isang dami ng vector. Kung mayroong higit sa dalawang singil sa pakikipag-ugnay, ang net lakas sa singil ay bibigyan _ako ng prinsipyong superposisyon:

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

Kung saan ang subscript j ay 1, 2, 3, 4 … at kumakatawan sa bawat isa sa natitirang singil.

- Dapat kang palaging naaayon sa mga yunit. Ang pinakamadalas ay ang pagtrabaho kasama ang pare-pareho ng electrostatic sa mga unit ng SI, pagkatapos ay kinakailangan upang matiyak na ang mga singil ay nasa mga coulombs at ang mga distansya sa mga metro.

- Sa wakas, ang equation ay nalalapat kapag ang mga singil ay nasa static na balanse.

Malutas na ehersisyo

- Ehersisyo 1

Sa sumusunod na figure mayroong dalawang mga singil sa point + q at + 2q. Ang isang pangatlong point na -q ay inilalagay sa P. Hiniling na hanapin ang lakas ng kuryente sa singil na ito dahil sa pagkakaroon ng iba.

Larawan 3. Diagram para sa nalutas na ehersisyo 1. Pinagmulan: Giambattista, A. Physics.

Solusyon

Ang unang bagay ay upang magtatag ng isang naaangkop na sistema ng sanggunian, na sa kasong ito ay ang pahalang na axis o x axis. Ang pinagmulan ng naturang sistema ay maaaring saanman, ngunit para sa kaginhawaan ay mailalagay ito sa P, tulad ng ipinapakita sa figure na 4:

Larawan 4. Scheme para sa nalutas na ehersisyo 1. Pinagmulan: Giambattista, A. Physics.

Ang isang diagram ng mga pwersa sa –q ay ipinapakita rin, isinasaalang-alang na ito ay naaakit ng ibang dalawa (figure 4b).

Tinawagan natin ang F _{1 na} puwersa na ipinataw ng singil ng q sa singil -q, sila ay nakadirekta kasama ang x-axis at tumuturo sa negatibong direksyon, samakatuwid:

Analogously, ang F ₂ ay kinakalkula :

Tandaan na ang laki ng F ₂ ay kalahati ng F ₁ , bagaman doble ang singil. Upang mahanap ang lakas ng net, sa wakas ang F ₁ at F ₂ ay idinagdag nang vectorially :

- Ehersisyo 2

Dalawang polystyrene bola na may pantay na masa m = 9.0 x 10 ^-8 kg ay may parehong positibong singil ng Q at sinuspinde ng isang sutla na may haba na L = 0.98 m. Ang mga spheres ay pinaghihiwalay ng layo ng d = 2 cm. Kalkulahin ang halaga ng Q.

Solusyon

Ang sitwasyon ng pahayag ay inilarawan sa figure 5a.

Larawan 5. Mga pamamaraan para sa paglutas ng ehersisyo 2. Pinagmulan: Giambattista, A. Physics / F. Zapata.

Pinipili namin ang isa sa mga spheres at dito namin iguhit ang nakahiwalay na diagram ng katawan, na kasama ang tatlong puwersa: timbang W , pag-igting sa string T at electrostatic repulsion F, tulad ng lilitaw sa figure 5b. At ngayon ang mga hakbang:

Hakbang 1

Ang halaga ng θ / 2 ay kinakalkula gamit ang tatsulok sa figure 5c:

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

Hakbang 2

Susunod dapat nating ilapat ang pangalawang batas ng Newton at itakda ito nang pantay sa 0, dahil ang mga singil ay nasa static na balanse. Mahalagang tandaan na ang pag-igting T ay hilig at may dalawang sangkap:

∑F _x = -T. Kasalanan θ + F = 0

∑F _y = T.cos θ - W = 0

Hakbang 3

Nalutas namin para sa kadakilaan ng stress mula sa huling equation:

T = W / cos θ = mg / cos θ

Hakbang 4

Ang halagang ito ay nahalili sa unang equation upang mahanap ang kalakhan ng F:

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

Hakbang 5

Dahil F = k Q ² / d ² , malulutas namin para sa Q:

Q = 2 × 10 ^-11 C.

Mga Eksperimento

Ang pagsuri sa batas ng Coulomb ay madali gamit ang balanse ng pag-iimbak na katulad ng sa isang Coulomb na ginamit sa kanyang laboratoryo.

Mayroong dalawang maliit na elderberry spheres, isa dito, ang isa sa gitna ng scale, ay sinuspinde ng isang thread. Ang eksperimento ay binubuo ng pagpindot sa mga pinalabas na elderberry spheres sa isa pang metallic sphere na sinisingil ng Q singil.

Larawan 6. balanse ng pag-iwas ni Coulomb.

Kaagad ang singil ay ipinamamahagi nang pantay-pantay sa pagitan ng dalawang elderberry spheres, ngunit pagkatapos, dahil ang mga ito ay singil ng parehong senyas, itinatapon nila ang bawat isa. Ang isang puwersa ay kumikilos sa nasuspinde na globo na nagiging sanhi ng pag-twist ng thread mula sa kung saan ito nakabitin at agad na lumilipat mula sa nakapirming globo.

Pagkatapos nakita namin na ito ay oscillates ng ilang beses hanggang sa maabot ang balanse. Kung gayon ang pag-iwas ng baras o thread na humahawak nito ay balanse sa pamamagitan ng puwersa ng electrostatic repulsion.

Kung ang orihinal na spheres ay nasa 0º, ngayon ang gumagalaw na globo ay may paikot na anggulo θ. Ang nakapaligid na sukat, mayroong isang tape na nagtapos sa mga degree upang masukat ang anggulong ito. Sa pamamagitan ng pagtukoy ng pare-pareho ang pag-iwas ng torsion, kung gayon ang nakakapangit na puwersa at ang halaga ng singil na nakuha ng mga elderberry spheres ay madaling kinakalkula.

Mga Sanggunian

1. Figueroa, D. 2005. Serye: Physics para sa Agham at Engineering. Dami 5. Elektrostiko. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Physics. Ikalawang edisyon. McGraw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Pisika: Mga Prinsipyo na may Aplikasyon. Ika-6. Ed Prentice Hall.
4. Resnick, R. 1999. Physics. Tomo 2. Ika-3 Ed. Sa Espanyol. Compañía Editorial Continental SA de CV
5. Mga Luha, Zemansky. 2016. Unibersidad sa Unibersidad na may Makabagong Pisika. Ika-14. Ed. Tomo 2.