Seperti konsep massa gravitasi suatu benda dalam mekanika Newton, konsep muatan dalam elektrodinamika merupakan konsep dasar yang utama.
Muatan listrik adalah besaran fisis yang mencirikan sifat partikel atau benda untuk memasuki interaksi gaya elektromagnetik.
Muatan listrik biasanya dilambangkan dengan huruf Q atau Q.
Totalitas semua fakta eksperimental yang diketahui memungkinkan kita menarik kesimpulan berikut:
Ada dua jenis muatan listrik, yang secara konvensional disebut positif dan negatif.
Biaya dapat ditransfer (misalnya melalui kontak langsung) dari satu badan ke badan lainnya. Berbeda dengan massa suatu benda, muatan listrik bukanlah karakteristik integral suatu benda. Benda yang sama dalam kondisi berbeda dapat mempunyai muatan berbeda.
Muatan sejenis tolak menolak, muatan tak sejenis tarik menarik. Hal ini juga mengungkapkan perbedaan mendasar antara gaya elektromagnetik dan gaya gravitasi. Gaya gravitasi selalu merupakan gaya tarik menarik.
Salah satu hukum dasar alam ditetapkan secara eksperimental hukum kekekalan muatan listrik .
Dalam sistem terisolasi, jumlah aljabar muatan semua benda tetap:
|
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... +QN= konstanta. |
Hukum kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa dalam sistem benda tertutup, proses penciptaan atau hilangnya muatan yang hanya bertanda satu tidak dapat diamati.
Dari sudut pandang modern, pembawa muatan adalah partikel elementer. Semua benda biasa terdiri dari atom, yang meliputi proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan partikel netral - neutron. Proton dan neutron merupakan bagian dari inti atom, elektron membentuk kulit elektron atom. Muatan listrik proton dan elektron sama besarnya dan sama dengan muatan dasar e.
Pada atom netral, jumlah proton dalam inti atom sama dengan jumlah elektron dalam kulitnya. Nomor ini dipanggil nomor atom . Sebuah atom suatu zat mungkin kehilangan satu atau lebih elektron atau memperoleh elektron tambahan. Dalam kasus ini, atom netral berubah menjadi ion bermuatan positif atau negatif.
Muatan dapat berpindah dari satu benda ke benda lain hanya dalam bagian yang mengandung bilangan bulat muatan dasar. Jadi, muatan listrik suatu benda merupakan besaran diskrit:
Besaran fisis yang hanya dapat mengambil serangkaian nilai diskrit disebut terkuantisasi . Biaya dasar e adalah kuantum (bagian terkecil) muatan listrik. Perlu dicatat bahwa dalam fisika modern partikel elementer diasumsikan adanya apa yang disebut quark - partikel dengan muatan pecahan dan Namun, quark belum diamati dalam keadaan bebas.
Dalam percobaan laboratorium umum, a elektrometer ( atau elektroskop) - alat yang terdiri dari batang logam dan penunjuk yang dapat berputar pada sumbu horizontal (Gbr. 1.1.1). Batang panah diisolasi dari badan logam. Ketika benda bermuatan bersentuhan dengan batang elektrometer, muatan listrik dengan tanda yang sama didistribusikan ke batang dan penunjuk. Gaya tolak-menolak listrik menyebabkan jarum berputar melalui sudut tertentu, yang dengannya seseorang dapat menilai muatan yang ditransfer ke batang elektrometer.
Elektrometer adalah instrumen yang agak kasar; itu tidak memungkinkan seseorang untuk mempelajari kekuatan interaksi antar muatan. Hukum interaksi muatan stasioner pertama kali ditemukan oleh fisikawan Perancis Charles Coulomb pada tahun 1785. Dalam eksperimennya, Coulomb mengukur gaya tarik-menarik dan tolak-menolak bola bermuatan menggunakan alat yang dirancangnya - keseimbangan torsi (Gbr. 1.1.2) , yang dibedakan dengan sensitivitas yang sangat tinggi. Misalnya, balok keseimbangan diputar 1° di bawah pengaruh gaya berorde 10 -9 N.
Gagasan pengukuran ini didasarkan pada tebakan brilian Coulomb bahwa jika bola bermuatan disentakkan dengan bola tak bermuatan yang sama, maka muatan bola pertama akan dibagi rata di antara keduanya. Oleh karena itu, suatu cara ditunjukkan untuk mengubah muatan bola sebanyak dua, tiga, dan seterusnya. Dalam percobaan Coulomb, interaksi antara bola-bola yang dimensinya jauh lebih kecil daripada jarak antar bola diukur. Benda bermuatan seperti itu biasanya disebut biaya poin.
Biaya poin disebut benda bermuatan, yang dimensinya dapat diabaikan dalam kondisi soal ini.
Berdasarkan berbagai eksperimen, Coulomb menetapkan hukum berikut:
Gaya interaksi antara muatan-muatan diam berbanding lurus dengan hasil kali modul muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:
Gaya interaksi mematuhi hukum ketiga Newton:
Mereka adalah gaya tolak menolak dengan tanda muatan yang sama dan gaya tarik menarik dengan tanda berbeda (Gbr. 1.1.3). Interaksi muatan listrik yang diam disebut elektrostatis atau Coulomb interaksi. Cabang elektrodinamika yang mempelajari interaksi Coulomb disebut elektrostatika .
Hukum Coulomb berlaku untuk benda bermuatan titik. Dalam praktiknya, hukum Coulomb terpenuhi jika ukuran benda bermuatan jauh lebih kecil daripada jarak antar benda.
Faktor proporsionalitas k dalam hukum Coulomb bergantung pada pilihan sistem satuan. Dalam Sistem SI Internasional, satuan muatan dianggap liontin(Kl).
Liontin adalah muatan yang mengalir dalam waktu 1 s melalui penampang suatu penghantar dengan kuat arus 1 A. Satuan kuat arus (Ampere) dalam SI adalah, beserta satuan panjang, waktu, dan massa satuan dasar pengukuran.
Koefisien k dalam sistem SI biasanya ditulis sebagai:
Di mana 
- konstanta listrik
.
Dalam sistem SI, muatan dasar e sama dengan:
Pengalaman menunjukkan bahwa gaya interaksi Coulomb mematuhi prinsip superposisi:
Jika suatu benda bermuatan berinteraksi secara bersamaan dengan beberapa benda bermuatan, maka gaya yang dihasilkan yang bekerja pada suatu benda sama dengan jumlah vektor gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut dari semua benda bermuatan lainnya.
Beras. 1.1.4 menjelaskan prinsip superposisi dengan menggunakan contoh interaksi elektrostatik tiga benda bermuatan.
Prinsip superposisi merupakan hukum alam yang mendasar. Namun, penggunaannya memerlukan kehati-hatian ketika kita berbicara tentang interaksi benda bermuatan dengan ukuran terbatas (misalnya, dua bola bermuatan 1 dan 2 yang menghantarkan). Jika bola bermuatan ketiga dimasukkan ke dalam sistem dua bola bermuatan, maka interaksi antara 1 dan 2 akan berubah karena redistribusi biaya.
Prinsip superposisi menyatakan bahwa kapan distribusi muatan yang diberikan (tetap). pada semua benda, gaya interaksi elektrostatik antara dua benda tidak bergantung pada keberadaan benda bermuatan lainnya.
« Fisika - kelas 10"
Pertama, mari kita pertimbangkan kasus paling sederhana, ketika benda bermuatan listrik dalam keadaan diam.
Cabang elektrodinamika yang mempelajari tentang kondisi kesetimbangan benda bermuatan listrik disebut elektrostatika.
Apa itu muatan listrik?
Biaya apa saja yang dikenakan?
Dengan kata-kata listrik, muatan listrik, arus listrik Anda telah bertemu berkali-kali dan berhasil membiasakan diri dengannya. Namun coba jawab pertanyaan: “Apa itu muatan listrik?” Konsep itu sendiri mengenakan biaya- ini adalah konsep dasar dan utama yang tidak dapat direduksi pada tingkat perkembangan pengetahuan kita saat ini menjadi konsep dasar yang lebih sederhana.
Mari kita coba mencari tahu dulu apa yang dimaksud dengan pernyataan: “Benda atau partikel ini bermuatan listrik.”
Semua benda dibangun dari partikel terkecil, yang tidak dapat dibagi lagi menjadi partikel yang lebih sederhana dan oleh karena itu disebut dasar.
Partikel-partikel dasar mempunyai massa dan oleh karena itu mereka tertarik satu sama lain menurut hukum gravitasi universal. Dengan bertambahnya jarak antar partikel, gaya gravitasi berkurang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak tersebut. Sebagian besar partikel elementer, meskipun tidak semuanya, juga memiliki kemampuan untuk berinteraksi satu sama lain dengan gaya yang juga berkurang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, namun gaya ini berkali-kali lebih besar daripada gaya gravitasi.
Jadi pada atom hidrogen, yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 14.1, elektron tertarik ke inti (proton) dengan gaya 10 39 kali lebih besar dari gaya tarik gravitasi.
Jika partikel berinteraksi satu sama lain dengan gaya yang berkurang seiring bertambahnya jarak dengan cara yang sama seperti gaya gravitasi universal, tetapi melebihi gaya gravitasi berkali-kali lipat, maka partikel tersebut dikatakan bermuatan listrik. Partikel itu sendiri disebut dibebankan.
Ada partikel tanpa muatan listrik, namun tidak ada muatan listrik tanpa partikel.
Interaksi partikel bermuatan disebut elektromagnetik.
Muatan listrik menentukan intensitas interaksi elektromagnetik, seperti halnya massa menentukan intensitas interaksi gravitasi.
Muatan listrik suatu partikel elementer bukanlah suatu mekanisme khusus di dalam partikel yang dapat dikeluarkan darinya, diuraikan menjadi bagian-bagian komponennya dan disusun kembali. Adanya muatan listrik pada suatu elektron dan partikel lain hanya berarti adanya interaksi gaya tertentu di antara keduanya.
Pada dasarnya, kita tidak mengetahui apa pun tentang muatan jika kita tidak mengetahui hukum interaksi tersebut. Pengetahuan tentang hukum interaksi harus dimasukkan dalam gagasan kita tentang muatan. Undang-undang ini tidak sederhana, dan tidak mungkin untuk menguraikannya dalam beberapa kata. Oleh karena itu, tidak mungkin memberikan definisi singkat yang cukup memuaskan tentang konsep tersebut muatan listrik.
Dua tanda muatan listrik.
Semua benda mempunyai massa sehingga saling tarik menarik. Benda bermuatan dapat saling tarik menarik dan tolak menolak. Fakta terpenting yang Anda ketahui ini berarti bahwa di alam terdapat partikel dengan muatan listrik yang tandanya berlawanan; dalam kasus muatan yang bertanda sama, partikel-partikelnya akan tolak-menolak, dan dalam kasus muatan-muatan yang berbeda tandanya, mereka tarik-menarik.
Muatan partikel elementer - proton, yang merupakan bagian dari semua inti atom, disebut positif, dan bermuatan elektron- negatif. Tidak ada perbedaan internal antara muatan positif dan negatif. Jika tanda-tanda muatan partikel dibalik, maka sifat interaksi elektromagnetik tidak akan berubah sama sekali.
Biaya dasar.
Selain elektron dan proton, ada beberapa jenis partikel elementer bermuatan lainnya. Namun hanya elektron dan proton yang dapat berada dalam keadaan bebas tanpa batas waktu. Partikel bermuatan lainnya hidup kurang dari sepersejuta detik. Mereka lahir selama tumbukan partikel-partikel elementer yang cepat dan, setelah ada dalam waktu yang sangat singkat, membusuk, berubah menjadi partikel lain. Anda akan mengenal partikel-partikel ini di kelas 11.
Partikel yang tidak mempunyai muatan listrik termasuk neutron. Massanya hanya sedikit lebih besar dari massa proton. Neutron, bersama dengan proton, adalah bagian dari inti atom. Jika sebuah partikel elementer mempunyai muatan, maka nilainya ditentukan secara ketat.
Tubuh yang dikenakan biaya Gaya elektromagnetik di alam memainkan peran besar karena semua benda mengandung partikel bermuatan listrik. Bagian penyusun atom - inti dan elektron - memiliki muatan listrik.
Aksi langsung gaya elektromagnetik antar benda tidak terdeteksi, karena benda dalam keadaan normal netral secara listrik.
Sebuah atom suatu zat bersifat netral karena jumlah elektron di dalamnya sama dengan jumlah proton dalam inti atom. Partikel bermuatan positif dan negatif dihubungkan satu sama lain oleh gaya listrik dan membentuk sistem netral.
Suatu benda makroskopis bermuatan listrik jika mengandung partikel elementer dalam jumlah berlebih dengan satu tanda muatan apa pun. Jadi, muatan negatif suatu benda disebabkan oleh kelebihan jumlah elektron dibandingkan dengan jumlah proton, dan muatan positif disebabkan oleh kekurangan elektron.
Untuk mendapatkan benda makroskopis bermuatan listrik, yaitu untuk menyetrumnya, perlu untuk memisahkan sebagian muatan negatif dari muatan positif yang terkait dengannya atau mentransfer muatan negatif ke benda netral.
Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan gesekan. Jika Anda menyisir rambut kering, maka sebagian kecil partikel bermuatan paling mobile - elektron - akan berpindah dari rambut ke sisir dan bermuatan negatif, dan rambut akan bermuatan positif.
Kesetaraan biaya selama elektrifikasi
Dengan bantuan percobaan, dapat dibuktikan bahwa ketika dialiri arus listrik melalui gesekan, kedua benda memperoleh muatan yang berlawanan tandanya, tetapi besarnya sama.
Mari kita ambil sebuah elektrometer, pada batangnya terdapat bola logam berlubang, dan dua pelat pada gagang panjang: satu terbuat dari karet keras dan yang lainnya terbuat dari kaca plexiglass. Saat bergesekan satu sama lain, pelat menjadi tersengat listrik.
Mari kita bawa salah satu pelat ke dalam bola tanpa menyentuh dindingnya. Jika pelat bermuatan positif, maka sebagian elektron dari jarum dan batang elektrometer akan tertarik ke pelat dan terkumpul pada permukaan bagian dalam bola. Pada saat yang sama, panah akan bermuatan positif dan didorong menjauhi batang elektrometer (Gbr. 14.2, a).
Jika Anda memasukkan pelat lain ke dalam bola, setelah melepaskan pelat pertama terlebih dahulu, maka elektron bola dan batang akan ditolak dari pelat dan akan terakumulasi secara berlebihan pada panah. Hal ini akan menyebabkan anak panah menyimpang dari batang, dan sudutnya sama seperti pada percobaan pertama.
Setelah menurunkan kedua pelat ke dalam bola, kita tidak akan mendeteksi adanya penyimpangan panah sama sekali (Gbr. 14.2, b). Hal ini membuktikan bahwa muatan-muatan kedua pelat tersebut sama besarnya dan berlawanan tanda.
Elektrifikasi benda dan manifestasinya. Elektrifikasi yang signifikan terjadi ketika kain sintetis digosok. Saat Anda melepas kemeja berbahan sintetis di udara kering, Anda akan mendengar bunyi berderak yang khas. Percikan api kecil melompat di antara area bermuatan pada permukaan gosok.
Di percetakan, kertas dialiri arus listrik selama pencetakan dan lembaran-lembarannya saling menempel. Untuk mencegah hal ini terjadi, perangkat khusus digunakan untuk mengalirkan muatan. Namun, elektrifikasi benda yang berada dalam kontak dekat kadang-kadang digunakan, misalnya di berbagai instalasi elektrokopi, dll.
Hukum kekekalan muatan listrik.
Pengalaman elektrifikasi pelat membuktikan bahwa selama elektrifikasi melalui gesekan, terjadi redistribusi muatan yang ada antara benda-benda yang sebelumnya netral. Sebagian kecil elektron berpindah dari satu benda ke benda lain. Dalam hal ini, partikel baru tidak muncul, dan partikel yang sudah ada sebelumnya tidak hilang.
Ketika tubuh dialiri listrik, hukum kekekalan muatan listrik. Hukum ini berlaku untuk suatu sistem yang partikel bermuatannya tidak masuk dari luar dan tidak keluar, yaitu untuk sistem terisolasi.
Dalam sistem terisolasi, jumlah aljabar muatan semua benda adalah kekal.
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = konstanta. (14.1)
di mana q 1, q 2, dst. adalah muatan masing-masing benda bermuatan.
Hukum kekekalan muatan mempunyai arti yang dalam. Jika jumlah partikel elementer bermuatan tidak berubah, maka hukum kekekalan muatan terpenuhi. Tetapi partikel-partikel elementer dapat berubah menjadi satu sama lain, lahir dan lenyap, memberi kehidupan pada partikel-partikel baru.
Namun, dalam semua kasus, partikel bermuatan hanya lahir berpasangan dengan muatan yang besarnya sama dan tandanya berlawanan; Partikel bermuatan juga menghilang hanya berpasangan, berubah menjadi netral. Dan dalam semua kasus ini, jumlah aljabar muatannya tetap sama.
Validitas hukum kekekalan muatan dikonfirmasi oleh pengamatan terhadap sejumlah besar transformasi partikel elementer. Hukum ini mengungkapkan salah satu sifat paling mendasar dari muatan listrik. Alasan retensi tagihan masih belum diketahui.
Muatan listrik adalah besaran fisika yang melekat pada beberapa partikel elementer. Ini memanifestasikan dirinya melalui gaya tarik-menarik dan tolak-menolak antara benda-benda bermuatan melalui medan elektromagnetik. Mari kita perhatikan sifat fisik muatan dan jenis muatan.
Pemahaman umum tentang muatan listrik
Materi, yang muatan listriknya bukan nol, secara aktif berinteraksi dengan medan elektromagnetik dan, pada gilirannya, menciptakan medan ini. Interaksi benda bermuatan dengan medan elektromagnetik adalah salah satu dari empat jenis interaksi gaya yang diketahui manusia. Berbicara tentang muatan dan jenis muatan, perlu diperhatikan bahwa dari sudut pandang model standar, muatan listrik mencerminkan kemampuan suatu benda atau partikel untuk bertukar pembawa medan elektromagnetik - foton - dengan benda bermuatan lain atau elektromagnetik. bidang.
Salah satu karakteristik penting dari berbagai jenis muatan adalah kekekalan jumlah muatan dalam suatu sistem terisolasi. Artinya, muatan total dipertahankan untuk jangka waktu yang tidak terbatas, apapun jenis interaksi yang terjadi dalam sistem.
Muatan listrik tidak kontinyu. Eksperimen Robert Millikan menunjukkan sifat diskrit muatan listrik. Jenis muatan yang ada di alam bisa positif atau negatif.
Muatan positif dan negatif
Pembawa dua jenis muatan adalah proton dan elektron. Karena alasan historis, muatan elektron dianggap negatif, bernilai -1, dan dilambangkan -e. Sebuah proton mempunyai muatan positif +1 dan diberi nama +e.
Jika suatu benda mengandung lebih banyak proton daripada elektron, maka benda tersebut dianggap bermuatan positif. Contoh mencolok dari jenis muatan positif di alam adalah muatan batang kaca setelah digosok dengan kain sutra. Oleh karena itu, jika suatu benda mengandung lebih banyak elektron daripada proton, maka benda tersebut dianggap bermuatan negatif. Muatan listrik jenis ini terlihat pada penggaris plastik ketika digosok dengan wol.
Perhatikan bahwa muatan proton dan elektron, meskipun sangat kecil, bukanlah muatan dasar. Quark telah ditemukan - “bahan penyusun” yang membentuk partikel elementer yang memiliki muatan ±1/3 dan ±2/3 relatif terhadap muatan elektron dan proton.
Satuan
Jenis muatan, baik positif maupun negatif, diukur dalam coulomb dalam sistem satuan SI internasional. Muatan sebesar 1 coulomb merupakan muatan yang sangat besar, yang didefinisikan sebagai muatan yang melewati penampang suatu penghantar dalam waktu 1 sekon dengan kuat arus 1 ampere. Satu liontin setara dengan 6,242 * 10 18 elektron bebas. Artinya muatan satu elektron adalah -1/(6.242*10 18) = - 1.602*10 -19 coulomb. Nilai yang sama, hanya dengan tanda plus, merupakan karakteristik dari jenis muatan lain di alam - muatan positif proton.
Sejarah Singkat Muatan Listrik
Sejak zaman Yunani kuno, diketahui bahwa jika kulit digosokkan pada damar, ia memperoleh kemampuan untuk menarik benda ringan, misalnya jerami atau bulu burung. Penemuan ini milik filsuf Yunani Thales dari Miletus, yang hidup 2500 tahun lalu.
Pada tahun 1600, dokter Inggris William Gilbert memperhatikan bahwa banyak bahan yang berperilaku seperti kuning ketika digosok. Kata "amber" dalam bahasa Yunani kuno terdengar seperti "elektron". Gilbert mulai menggunakan istilah ini untuk semua fenomena tersebut. Belakangan muncul istilah lain, seperti “listrik” dan “muatan listrik”. Dalam karyanya, Gilbert juga mampu membedakan fenomena magnet dan listrik.
Penemuan adanya gaya tarik-menarik dan tolak-menolak antara benda-benda bermuatan listrik adalah milik fisikawan Stefan Gray. Ilmuwan pertama yang mengemukakan keberadaan dua jenis muatan listrik adalah ahli kimia dan fisikawan Perancis Charles Francois Dufay. Fenomena muatan listrik juga dipelajari secara detail oleh Benjamin Franklin. Pada akhir abad ke-18, fisikawan Perancis Charles Augustin de Coulomb menemukan hukumnya yang terkenal.
Namun demikian, semua pengamatan ini baru dapat dirumuskan menjadi teori kelistrikan yang koheren pada pertengahan abad ke-19. Di sini perlu diperhatikan pentingnya karya Michael Faraday tentang studi proses elektrolisis dan James Maxwell, yang menjelaskan secara lengkap fenomena elektromagnetik.
Ide-ide modern tentang sifat listrik dan muatan listrik diskrit berasal dari karya Joseph Thomson, yang menemukan elektron, dan Robert Millikan, yang mengukur muatannya.
Momen magnet dan muatan listrik
Benjamin Franklin mengidentifikasi jenis-jenis muatan. Ada dua di antaranya: positif dan negatif. Dua muatan yang bertanda sama akan tolak menolak, dan dua muatan yang berlawanan tanda akan tarik menarik.
Dengan munculnya mekanika kuantum dan fisika partikel, ditunjukkan bahwa selain muatan listrik, partikel memiliki momen magnet yang disebut putaran. Karena sifat listrik dan magnetik partikel elementer, medan elektromagnetik ada di alam.
Prinsip kekekalan muatan listrik
Berdasarkan hasil banyak percobaan, prinsip kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa tidak ada cara untuk memusnahkan atau menciptakan muatan dari ketiadaan, dan bahwa dalam setiap proses elektromagnetik dalam sistem terisolasi, muatan listrik total adalah kekal.
Akibat proses elektrifikasi, jumlah proton dan elektron tidak berubah, yang ada hanya pemisahan muatan. Muatan listrik mungkin muncul di beberapa bagian sistem yang sebelumnya tidak ada, namun muatan keseluruhan sistem tetap tidak berubah.
Kepadatan muatan listrik
Kepadatan muatan mengacu pada kuantitasnya per satuan panjang, luas atau volume ruang. Dalam hal ini, mereka berbicara tentang tiga jenis kepadatannya: linier, permukaan dan volumetrik. Karena ada dua jenis muatan, massa jenis juga bisa positif dan negatif.
Terlepas dari kenyataan bahwa muatan listrik terkuantisasi, yaitu diskrit, dalam sejumlah percobaan dan proses, jumlah pembawanya sangat besar sehingga dapat dianggap terdistribusi secara merata ke seluruh tubuh. Perkiraan yang baik ini memungkinkan kita memperoleh sejumlah hukum eksperimental penting untuk fenomena kelistrikan.
Saat mempelajari perilaku dua muatan titik pada keseimbangan torsi, yaitu muatan yang jarak antara keduanya secara signifikan melebihi dimensinya, Charles Coulomb pada tahun 1785 menemukan hukum interaksi antara muatan listrik. Ilmuwan merumuskan hukum ini sebagai berikut:
Besarnya masing-masing gaya yang berinteraksi dengan dua muatan titik yang diam berbanding lurus dengan hasil kali muatan listriknya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang memisahkan keduanya. Gaya interaksi diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan benda-benda bermuatan.
Perhatikan bahwa hukum Coulomb tidak bergantung pada jenis muatan: mengubah tanda muatan hanya akan mengubah arah gaya yang bekerja ke arah sebaliknya, dengan tetap mempertahankan modulusnya. Koefisien proporsionalitas dalam hukum Coulomb bergantung pada konstanta dielektrik medium yang memuat muatan.
Jadi, rumus gaya Coulomb ditulis dalam bentuk berikut: F = k*q 1 *q 2 /r 2, dimana q 1, q 2 adalah besar muatan, r adalah jarak antar muatan, k = 9*10 9 N*m 2 /Cl 2 - koefisien proporsionalitas untuk ruang hampa.
Konstanta k melalui konstanta dielektrik universal ε 0 dan konstanta dielektrik bahan ε dinyatakan sebagai berikut: k = 1/(4*pi*ε*ε 0), di sini pi adalah bilangan pi, dan ε > 1 untuk media apa pun.
Hukum Coulomb tidak berlaku dalam kasus berikut:
- ketika partikel bermuatan mulai bergerak, dan terutama ketika kecepatannya mendekati kecepatan cahaya;
- ketika jarak antar muatan kecil dibandingkan dengan dimensi geometrinya.
Menarik untuk dicatat bahwa bentuk matematika dari hukum Coulomb bertepatan dengan hukum gravitasi universal, di mana peran muatan listrik dimainkan oleh massa benda.
Metode perpindahan muatan listrik dan elektrifikasi
Elektrifikasi dipahami sebagai suatu proses di mana benda yang netral secara listrik memperoleh muatan yang tidak nol. Proses ini dikaitkan dengan pergerakan pembawa muatan dasar, paling sering elektron. Anda dapat menyetrum tubuh menggunakan metode berikut:
- Akibat kontak. Jika suatu benda bermuatan menyentuh benda lain yang terdiri dari bahan konduktif, maka benda tersebut akan memperoleh muatan listrik.
- Gesekan suatu isolator terhadap bahan lain.
- Induksi listrik. Inti dari fenomena ini adalah redistribusi muatan listrik di dalam tubuh akibat pengaruh medan listrik luar.
- Fenomena efek fotolistrik, dimana elektron dikeluarkan dari suatu benda padat akibat pengaruh radiasi elektromagnetik terhadapnya.
- Elektrolisa. Suatu proses fisika dan kimia yang terjadi dalam lelehan dan larutan garam, asam dan basa.
- Efek termoelektrik. Dalam hal ini, elektrifikasi terjadi karena gradien suhu di dalam tubuh.
Terkait dengan pembawa materi; karakteristik internal partikel elementer yang menentukan interaksi elektromagnetiknya.
Muatan listrik adalah besaran fisika yang mencirikan sifat benda atau partikel untuk melakukan interaksi elektromagnetik, dan menentukan nilai gaya dan energi selama interaksi tersebut. Muatan listrik merupakan salah satu konsep dasar dalam kajian kelistrikan. Seluruh rangkaian fenomena kelistrikan merupakan manifestasi dari keberadaan, pergerakan dan interaksi muatan listrik. Muatan listrik adalah sifat yang melekat pada beberapa partikel elementer.
Ada dua jenis muatan listrik, yang secara konvensional disebut positif dan negatif. Muatan yang bertanda sama akan tolak-menolak, sedangkan muatan yang bertanda berbeda akan tarik menarik. Muatan batang kaca yang dialiri listrik secara konvensional dianggap positif, dan muatan batang resin (khususnya batang amber) dianggap negatif. Sesuai dengan kondisi ini, muatan listrik suatu elektron adalah negatif ("elektron" Yunani - kuning).
Muatan suatu benda makroskopis ditentukan oleh muatan total partikel-partikel elementer yang menyusun benda tersebut. Untuk mengisi daya suatu benda makroskopis, Anda perlu mengubah jumlah partikel elementer bermuatan yang dikandungnya, yaitu mentransfer ke atau menghilangkan sejumlah muatan dengan tanda yang sama darinya. Dalam kondisi nyata, proses seperti itu biasanya dikaitkan dengan pergerakan elektron. Suatu benda dianggap bermuatan hanya jika mengandung kelebihan muatan yang bertanda sama, yang merupakan muatan benda tersebut, biasanya dilambangkan dengan huruf Q atau Q.Jika muatan ditempatkan pada benda titik, maka gaya interaksi antar muatan dapat ditentukan berdasarkan hukum Coulomb. Satuan SI untuk muatan adalah coulomb - Cl.
Muatan listrik Q benda mana pun bersifat diskrit, terdapat muatan listrik dasar yang minimal - e, di mana semua muatan listrik suatu benda adalah kelipatannya:
\(q = n e\)
Muatan minimum yang ada di alam adalah muatan partikel elementer. Dalam satuan SI, modulus muatan ini sama dengan: e= 1, 6.10 -19 Kl. Setiap muatan listrik adalah bilangan bulat kali lebih besar dari muatan dasar. Semua partikel elementer bermuatan mempunyai muatan listrik elementer. Pada akhir abad ke-19. elektron, pembawa muatan listrik negatif, ditemukan, dan pada awal abad ke-20, sebuah proton, yang memiliki muatan positif yang sama, ditemukan; Dengan demikian, terbukti bahwa muatan listrik tidak ada dengan sendirinya, tetapi berhubungan dengan partikel dan merupakan sifat internal partikel (kemudian ditemukan partikel elementer lain yang membawa muatan positif atau negatif dengan besaran yang sama). Muatan semua partikel elementer (jika tidak nol) memiliki nilai absolut yang sama. Partikel hipotetis dasar adalah quark yang muatannya 2/3 e atau +1/3 e, belum diamati, namun keberadaannya diasumsikan dalam teori partikel elementer.
Invariansi muatan listrik telah ditentukan secara eksperimental: besarnya muatan tidak bergantung pada kecepatan pergerakannya (yaitu, besarnya muatan adalah invarian terhadap kerangka acuan inersia, dan tidak bergantung pada apakah itu bergerak atau diam).
Muatan listrik bersifat aditif, yaitu muatan suatu sistem benda (partikel) sama dengan jumlah muatan benda (partikel) yang termasuk dalam sistem tersebut.
Muatan listrik mematuhi hukum kekekalan yang ditetapkan setelah banyak percobaan. Dalam sistem tertutup secara elektrik, muatan totalnya kekal dan tetap konstan selama proses fisik apa pun yang terjadi dalam sistem. Hukum ini berlaku untuk sistem kelistrikan tertutup yang terisolasi dimana muatan tidak dimasukkan atau dikeluarkan. Hukum ini juga berlaku untuk partikel elementer, yang lahir dan musnah berpasangan, yang muatan totalnya nol.
Proses fisika yang terjadi di alam tidak selalu dijelaskan oleh hukum teori kinetik molekul, mekanika, atau termodinamika. Ada juga gaya elektromagnetik yang bekerja pada jarak tertentu dan tidak bergantung pada massa benda.
Manifestasi mereka pertama kali dijelaskan dalam karya ilmuwan Yunani kuno, ketika mereka menarik cahaya, partikel kecil zat individu dengan amber yang digosokkan pada wol.
Kontribusi sejarah para ilmuwan terhadap perkembangan elektrodinamika
Eksperimen dengan amber dipelajari secara rinci oleh seorang peneliti Inggris William Gilbert. Pada tahun-tahun terakhir abad ke-16, ia membuat laporan tentang karyanya, dan menunjuk benda-benda yang mampu menarik benda lain dari jarak jauh dengan istilah “listrik”.
Fisikawan Perancis Charles Dufay menentukan keberadaan muatan dengan tanda yang berlawanan: beberapa terbentuk oleh gesekan benda kaca pada kain sutra, dan lainnya oleh resin pada wol. Begitulah dia menyebutnya: kaca dan resin. Setelah menyelesaikan penelitian Benyamin Franklin Konsep muatan negatif dan positif diperkenalkan.
Charles Coulomb menyadari kemungkinan mengukur gaya muatan dengan desain timbangan torsi penemuannya sendiri.
Robert Millikan, berdasarkan serangkaian percobaan, menetapkan sifat diskrit muatan listrik suatu zat, membuktikan bahwa muatan tersebut terdiri dari sejumlah partikel elementer. (Jangan bingung dengan konsep lain dari istilah ini - fragmentasi, diskontinuitas.)
Karya-karya para ilmuwan ini menjadi landasan pengetahuan modern tentang proses dan fenomena yang terjadi di medan listrik dan magnet yang diciptakan oleh muatan listrik dan pergerakannya, yang dipelajari oleh elektrodinamika.
Definisi muatan dan prinsip interaksinya
Muatan listrik mencirikan sifat-sifat zat yang memberi mereka kemampuan untuk menciptakan medan listrik dan berinteraksi dalam proses elektromagnetik. Ini juga disebut jumlah listrik dan didefinisikan sebagai besaran skalar fisik. Untuk menyatakan muatan, simbol “q” atau “Q” digunakan, dan dalam pengukurannya menggunakan satuan “Coulomb”, yang diambil dari nama ilmuwan Perancis yang mengembangkan teknik unik.
Dia menciptakan perangkat yang tubuhnya menggunakan bola yang digantung pada benang tipis kuarsa. Mereka diorientasikan dalam ruang dengan cara tertentu, dan posisinya dicatat relatif terhadap skala bertingkat dengan pembagian yang sama.
Melalui lubang khusus di tutupnya, bola lain dengan muatan tambahan dibawa ke bola tersebut. Gaya interaksi yang muncul menyebabkan bola membelok dan memutar lengan ayunnya. Besarnya perbedaan pembacaan skala sebelum dan sesudah dimasukkannya muatan memungkinkan untuk memperkirakan jumlah listrik dalam sampel uji.
Muatan sebesar 1 coulomb dalam sistem SI dicirikan oleh arus sebesar 1 ampere yang melewati penampang suatu penghantar dalam waktu 1 detik.
Elektrodinamika modern membagi semua muatan listrik menjadi:
positif;
negatif.
Ketika mereka berinteraksi satu sama lain, mereka mengembangkan kekuatan, yang arahnya bergantung pada polaritas yang ada.
Muatan yang sejenis, positif atau negatif, selalu tolak menolak dalam arah yang berlawanan, berusaha menjauhi satu sama lain sejauh mungkin. Dan muatan yang bertanda berlawanan memiliki kekuatan yang cenderung mendekatkan dan menyatukannya menjadi satu kesatuan.
Prinsip superposisi
Jika terdapat beberapa muatan dalam volume tertentu, berlaku prinsip superposisi pada muatan tersebut.
Artinya adalah bahwa setiap muatan dengan cara tertentu, menurut metode yang dibahas di atas, berinteraksi dengan muatan lainnya, tertarik pada muatan yang berjenis berbeda dan ditolak oleh muatan yang sejenis. Misalnya muatan positif q1 dipengaruhi oleh gaya tarik menarik F31 terhadap muatan negatif q3 dan gaya tolak menolak F21 dari q2.
Gaya hasil F1 yang bekerja pada q1 ditentukan oleh penjumlahan geometri vektor F31 dan F21. (F1= F31+ F21).
Metode yang sama digunakan untuk menentukan gaya resultan F2 dan F3 masing-masing pada muatan q2 dan q3.
Dengan menggunakan prinsip superposisi, disimpulkan bahwa untuk sejumlah muatan tertentu dalam sistem tertutup, gaya elektrostatis tetap bekerja di antara semua bendanya, dan potensial pada setiap titik tertentu dalam ruang ini sama dengan jumlah potensial dari semua benda. biaya yang diterapkan secara individual.
Efek dari undang-undang ini dikonfirmasi oleh perangkat elektroskop dan elektrometer yang dibuat, yang memiliki prinsip operasi umum.
Elektroskop terdiri dari dua bilah foil tipis identik yang digantung di ruang terisolasi oleh benang konduktif yang dilekatkan pada bola logam. Dalam keadaan normal, muatan tidak bekerja pada bola ini, sehingga kelopaknya menggantung bebas di ruang di dalam bohlam perangkat.
Bagaimana cara memindahkan muatan antar benda?
Jika Anda membawa benda bermuatan, misalnya tongkat, ke bola elektroskop, muatan tersebut akan melewati bola sepanjang benang konduktif ke kelopak bunga. Mereka akan menerima muatan yang sama dan mulai menjauh satu sama lain dengan sudut yang sebanding dengan jumlah listrik yang diberikan.
Elektrometer memiliki perangkat dasar yang sama, tetapi memiliki sedikit perbedaan: satu kelopak dipasang secara permanen, dan kelopak kedua memanjang darinya dan dilengkapi dengan panah yang memungkinkan Anda mengambil pembacaan dari skala bertingkat.
Untuk mentransfer muatan dari benda jarak jauh, diam, dan bermuatan ke elektrometer, Anda dapat menggunakan pembawa perantara.
Pengukuran yang dilakukan dengan elektrometer tidak memiliki kelas ketelitian yang tinggi dan berdasarkan pengukuran tersebut sulit untuk menganalisis gaya-gaya yang bekerja antar muatan. Neraca torsional Coulomb lebih cocok untuk dipelajari. Mereka menggunakan bola dengan diameter yang jauh lebih kecil dibandingkan jaraknya satu sama lain. Mereka memiliki sifat muatan titik - benda bermuatan, yang ukurannya tidak mempengaruhi keakuratan perangkat.
Pengukuran yang dilakukan oleh Coulomb membenarkan dugaannya bahwa muatan titik dipindahkan dari benda bermuatan ke benda yang sifat dan massanya sama, tetapi tidak bermuatan, sedemikian rupa sehingga terdistribusi secara merata di antara benda-benda tersebut, berkurang sebesar 2 kali lipat. sumber. Dengan cara ini, jumlah tagihan dapat dikurangi sebanyak dua, tiga, atau waktu lainnya.
Gaya-gaya yang terjadi antara muatan listrik yang diam disebut Coulomb atau interaksi statis. Mereka dipelajari oleh elektrostatika, yang merupakan salah satu cabang elektrodinamika.
Jenis pembawa muatan listrik
Ilmu pengetahuan modern menganggap partikel terkecil yang bermuatan negatif adalah elektron, dan positron adalah partikel terkecil yang bermuatan positif. Mereka memiliki massa yang sama 9,1·10-31 kg. Proton partikel elementer hanya mempunyai satu muatan positif dan massa 1,7·10-27 kg. Di alam, jumlah muatan positif dan negatif seimbang.
Dalam logam, pergerakan elektron terjadi, dan dalam semikonduktor, pembawa muatannya adalah elektron dan lubang.
Dalam gas, arus dihasilkan oleh pergerakan ion – partikel non-elemen bermuatan (atom atau molekul) dengan muatan positif yang disebut kation atau muatan negatif – anion.
Ion terbentuk dari partikel netral.
Muatan positif diciptakan oleh partikel yang kehilangan elektron di bawah pengaruh pelepasan listrik yang kuat, iradiasi cahaya atau radioaktif, aliran angin, pergerakan massa air, atau sejumlah alasan lainnya.
Ion negatif terbentuk dari partikel netral yang juga menerima elektron.
Penggunaan ionisasi untuk keperluan medis dan kehidupan sehari-hari
Para peneliti telah lama memperhatikan kemampuan ion negatif untuk mempengaruhi tubuh manusia, meningkatkan konsumsi oksigen di udara, mengirimkannya lebih cepat ke jaringan dan sel, dan mempercepat oksidasi serotonin. Semua ini bersama-sama secara signifikan meningkatkan kekebalan, meningkatkan mood, dan mengurangi rasa sakit.
Alat ionisasi pertama yang digunakan untuk merawat manusia disebut Lampu gantung Chizhevsky, untuk menghormati ilmuwan Soviet yang menciptakan perangkat yang memiliki efek menguntungkan bagi kesehatan manusia.
Dalam peralatan listrik rumah tangga modern, Anda dapat menemukan ionizer internal di penyedot debu, pelembab udara, pengering rambut, pengering...
Mesin ionisasi udara khusus memurnikan udara dan mengurangi jumlah debu dan kotoran berbahaya.
Mesin ionisasi air dapat mengurangi jumlah reagen kimia dalam komposisinya. Mereka digunakan untuk membersihkan kolam dan kolam, menjenuhkan air dengan ion tembaga atau perak, yang mengurangi pertumbuhan alga dan menghancurkan virus dan bakteri.
