Electrostatica (1) – Introducere si Legea lui Coulomb

charge = incarcatura electrica
property = proprietate
like charges repel = sarcinile identice se atrag
opposite attract = sarcinile opuse se resping
e = charge of proton = sarcina unui proton
-e = charge of electron = sarcina unui electron

Haideti sa discutam acum despre ceea ce eu gasesc a fii cea mai misterioasa forta din univers. De fapt, cred ca toate fortele au o nota de mister, dar haideti sa discutam despre incarcatura electrica. Cu totii stim ce inseamna asta, ne incarcam mereu bateriile. Aceasta particula are o incarcatura. Dar daca te gandesti mai bine, toate incarcaturile ne spun ca exista aceasta proprietate numita incarcatura si stim ca daca un obiect are o sarcina pozitiva, iar acesta este un mod arbitrar de a defini sarcina, nu este ca si cum protonii ar avea un mic plus desenat pe ei, ar putea foarte bine sa aiba sarcina negativa. Dar cand obiectul are sarcina pozitiva si intalneste un obiect cu acelasi tip de sarcina, cele doua obiecte se vor respinge. De asemenea, stim ca daca am avea un alt obiect, o alta particula care s-ar intampla sa aiba o sarcina negativa (din nou o definitie arbitrara), ar putea sa fie sarcini albastre si rosii, dar stim ca daca obiectul are un alt gen de sarcina, in cazul acesta, negativa, va fi atras de sarcina pozitiva.

Deci, ce stim despre incarcatura? Incarcatura este ceva ce au particulele si daca pui destule particule impreuna, cred ca si obiectele au aceasta proprietate. Deci este doar o proprietate, iar asta este un mod de a spune ca nu stiu exact cum sa definesc termenul si sincer cred ca nimeni nu stie exact ce este. Nimeni nu stie concret nimic, dar incarcatura este o proprietate a particulelor si obiectelor, asemeni masei. Adica, daca ne gandim putin, masa este doar o proprietate. Pana la un anumit nivel, pare mai concreta decat incarcatura, pentru ca mintea noastra este conectata la un grad de intelege a masei, dar probabil ca intelegem conceptele de greutate si volum mai mult decat pe cel al masei, dar putem sa discutam despre asta cu alta ocazie. Incarcatura este un concept putin mai abstract pentru ca inainte sa frecam chihlimbarul de parul nostru, nu exista prea multa incarcatura, asta in cazul in care nu am fost loviti de un fulger. Deci, incarcatura este o proprietate a particulelor si obiectelor, si stim ca exista doua tipuri de incarcatura, cele pozitive si cele negative. Apoi, stim ca incarcaturile la fel se resping, iar cele opuse se atrag, nu-i asa? Ce putem sa facem in legatura cu asta? Ei bine, daca avem aceasta proprietate, un lucru de folos ar fi sa o putem masura, asa ca au fost inventate unitatile de masura, cea a incarcaturii fiind Coulomb-ul. Poarta numele unui om de stiinta de la sfarsitul anilor 1700, care s-a ocupat mult cu sarcinile electrice; poti sa cauti mai multe despre el pe wikipedia. Aceasta unitate de masura are mai multe definitii, dar prefer sa ma gandesc la ea ca la niste particule elementare, pentru ca, numai daca te intereseaza teoriile cuantice sau quartii, sarcina elementara este cea a unui proton sau neutron. Iti voi da mai multe detalii despre structura atomilor si tot in viitor, deocamdata voi desena doar un mic exemplu. Deci, atomul tinde sa contina neutroni, care nu au aceasta proprietate a sarcinii, de aceea este nevoie si de cativa protoni, care au sarcina pozitiva. Inca o data, acesta este un mod arbitrar de a defini sarcina drept pozitiva, am putea foarte bine sa o numim o sarcina rosie. Apoi, exista in jur aceste chestii care plutesc si care sunt mult mai usoare decat protonii si neutronii din nucleu, care poarta numele de electroni. Nu se poate spune sigur daca sunt obiecte, sunt asemanatoare energiei, dar uneori ne ajuta sa folosim denumirea de obiecte. De asemenea, uneori este mai simplu sa nu ii consideram obiecte, dar vom discuta asta mai incolo. Cert este ca electronii au sarcini negative. Iar unitatea de masura fundamentala a sarcinii electrice care ne intereseaza in momentul de fata, inainte de a vorbi despre quarti si potentiale particule subatomice, este sarcina electronului sau protonului. Iar aceste doua sarcine sunt identice, deci putem nota sarcina elementara cu ‚e’. Sincer, nu sunt sigura daca ‚e’ vine de la elementar sau de la electron, dar este egal cu sarcina protonului, deci probabil vine de la sarcina elementara a unui proton. Iar sarcina unui electron este negativul acesteia, deci –e va fi reprezentarea sarcinii unui electron. Daca ar fi sa nu ne intereseze semnul, marimile sunt aceleasi.

Acestea sunt notiunile fundamentale din fizica pe care le cunoastem despre sarcina electrica. Unitatea fundamentala de masura a sarcinii este sarcina protonului sau neutronului. Dar ce legatura are Coulomb-ul cu toate acestea?

Ei bine, un Coulomb, pe care il vom nota cu C, iar acesta este iarasi un numar arbitrar, dar ne va ajuta in viitor la rezolvarea problemelor cu electricitate si vom vedea de ce a fost definit in felul asta, C este egal cu  6,24 ori 10 la puterea 18 ori e. Sau mai poti spune ca este egal cu 6,24 ori 10 la puterea 18 ori sarcina electrica a unui electron.. de fapt, ori sarcina electrica a unui proton, binenteles, din punct de vedere al cantitatii numerice. Daca folosesc doar denumirea de Coulomb, nu te ajut prea mult, dar el este egal cu 1,6 ori 10 la puterea -19 Coulombi. Ar fi bine sa tii minte acest numar, dar ti se va da probabil inaintea rezolvarii unei probleme. Deci, ce putem face? Putem spune ca aceste obiecte au proprietatea care poarta numele de sarcina electrica. Sarcinile identice se resping, iar cele opuse se atrag. Daca exista destui protoni, atunci obiectul are electricitate; daca sunt mai multi protoni decat electroni, sarcina este pozitiva, dar daca sunt mai multi electroni decat protoni, sarcina este negativa. Acum dupa ce am definit Coulomb-ul, sa incercam sa ne jucam putin si sa vedem daca putem masura sarcina electrica. La inceputul definitiei sarcinii electrice, am spus ca sarcinile identice se resping, nu-i asa? Sarcinile identice se resping, deci ambele sunt pozitive. Iar cele opuse, daca aceasta este negativa si aceasta este pozitiva, se vor atrage, nu? Deci, prin definitie, daca acestea se indreapta una spre cealalta, cele doua particule vor accelera in directiii opuse. Iar aceste doua particule vor accelera una in directia celeilalte. Sarcina electrica dintre aceste particule sau din interiorul lor trebuie sa genereze un fel de forta, nu-i asa? Daca nu ar exista nici o forta, nici nu s-a respinge, dar nici nu s-ar atrage, iar aici intervine legea lui Coulomb si motivul pentru care unitatea de masura ii poarta numele. Coulomb si-a dat seama ca forta dintre cele doua sarcini, iar aceasta este o cantitate vectoriala, iti voi spune imediat detalii despre directie, este egala cu o constanta inmultita cu prima sarcina ori a doua sarcina, totul impartit la distanta dintre cele doua, la patrat. Iar asta este destul de usor pentru ca aceasta forta electrica semana cu ecuatia fortei gravitationale. Imediat sa si notez. Forta gravitationala dintre doua mase este egala cu constanta gravitationala inmultita cu masa primului obiect ori masa celui de-al doilea obiect, totul impartit la distanta dintre cele doua, la patrat. Se pare ca fortele cu care ne-am ocupat pana acum, forta gravitationala, acum forta electrica si vom vedea mai tarziu, forta electromagnetica, se pare ca toate actioneaza la distanta intr-un mod similar, iar toate aceste forte exista in vid. Nu conteaza daca nu exista aer, daca nu exista nici o substanta intre cele doua particule, acestea vor gasi un mod de a comunica, ceea ce e incredibil, nu? Poate sa nu existe nimic intre cele doua particule, dar cumva, aceasta partiicula stie de existenta celeilalte si incep sa se miste, chiar daca nu exista nici un fir de legatura intre ele sau altceva. Ele incep sa se miste. Nu stiu daca ti se pare la fel de incredibil pe cat mi se pare mie, dar daca stai putin sa te gandesti vei vedea ca asa este. Precum gravitatia. Adica, cele doua mase nu sunt conectate in nici un fel. Ar putea sa se afle amandoua in spatiu, dar cumva ele stiu de existenta celeilalte. Cand vom invata despre relativitatea speciala, vom invata ca nu exista nimic si ca probabil masele sunt cele care dau o forma universului. Poate ca asta se intampla si cum sarcinile electrice. Ceea ce stim in momentul de fata este ca avem aceste sarcini care exercita o forta una asupra celeilalte, forta proportionala cu rezultatul sarcinii respective, impartit la distanta dintre cele doua, la patrat. Iar aceasta constata de aici…mereu uit de ea! Cat era oare? Cred ca este egala cu 6. Mereu uit cu cat este egala. Este egala cu 9 ori 10 la puterea 9, rotunjit, desigur. Ar fi fost perfect sa fie 9, dar nu, este 9 ori 10 la puterea 9, iar unitatea este Newton ori metru la patrat, pe Coulomb la patrat. De ce avem aceste unitati? Ei bine, pentru ca avem coulomb ori coulomb, ceea ce inseamna coulomb la patrat pe metru la patrat, iar apoi vrem sa scapam de newtoni, asa ca trebuie sa anulam coulomb-ul la patrat si vom face asta punandu-l la numitor. Si vrem sa anulam metru la patrat, punandu-l la numarator, asa ca vom ramane in final cu newtonii pentru forta, asa se explica unitatile pe care le avem.

Acestea fiin spuse, hai sa aflam forta dintre cele doua particule. Am consumat 10 minute cu aceasta explicatie detaliata, dar vei vedea ca probleme de la ora de fizica sunt destul de directe, mai ales cand vine vorba de legea lui Coulomb. Ok, haide sa spunem ca avem o particula cu sarcina pozitiva.. stai putin sa ma gandesc la un numar bun… plus 5 ori 10 la puterea -3 Coulombi, deci aceasta este sarcina pozitiva. Acum sa luam si o sarcina negativa, sa spunem.. sa spunem ca se afla la jumatate de metru distanta, deci 0,5 metrii, iar sarcina negativa este egala cu minus 10 ori 10 la puterea -2 Coulombi. Care este forta dintre cele doua particule? Daca apelam la legea lui Coulomb, obtinem forta datorita fortei electrice. Forta electrica statica dintre cele doua particule este egala cu constanta de 9 ori 10 la puterea 9 ori prima incarcatura electrica ori 5 ori 10 la puterea -3 ori a doua sarcina electrica (pe care o voi reprezenta cu alta culoare), ori -10 ori 10 la puterea -2, tot impartit la distanta la patrat, adica 0,5 la patrat.  Aceasta este ecuatia, acum sa vedem ce rezultat obtinem. Deci avem 9 ori 5 ori -10, asta inseamna -45. Apoi 10 la puterea a9a minus a3a, deci 10 la puterea a6a, apoi minus a2a, deci 10 la puterea a4a, ori 10 la puterea a4a, impartit la 0,5 la patrat, adica 0.25. Iar asta este egal cu 4 ori asta, 160, plus asta, este egal cu -180 ori 10 la puterea a4a newtoni. S-ar putea sa ti se para un numar mare, dar aceste sarcini electrice sunt chiar destul de mari, in viitor cu siguranta vei putea sa spui care sarcina este mare si care este mica. Daca sarcina este destul de mare, asta inseamna ca forta exercitata intre cele doua particule este relativ mare si ea. Dar am obtinut un numar negativ, ce inseamna asta? Stim ca particulele opuse se atrag, nu? Aproape prin definitie. In acest caz, am avut o sarcina pozitiva si una negativa, deci in final am ramas cu o forta negativa cand am folosit legea lui Coulomb, ceea ce inseamna ca forta va face cele doua particule sa se atraga pe marimea distantei dintre ele. Daca am fo avut o sarcina pozitiva aici, ar fi insemnat ca cele particule s-ar fi respins. Daca simti ca te incurci vreodata, gandeste-te la asta: daca ambele sunt negative, se vor respinge; daca ambele sunt pozitive, se vor atrage. Pe data viitoare!

Acest articol a fost publicat în Electromagnetism și etichetat cu , . Salvează legătura permanentă.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *