Електростатика(част 1): Въведение в Зарядите и закона на Кулон.

Въведение в Зарядите и закона на Кулон.

Нека поговорим малко за
нещо, което смятам че е

една от по-мистериозните
сили на Вселената.

Всъщност аз смятам,че всичките сили на вселената

са сравнително мистериозни,така че нека поговорим

малко за заряди.

Всички сме чували за заряди.

Зареди батерията

Тази частица има заряд.

Но когато се замислите,
заряд означава само,

че има едно свойство което наричаме заряд,и знаем,

че ако нещо съдържа положителен заряд-наричайки го

положителен,е случайно.

Не е като протоните да имат малко плюсче написано върху тях.

Можели сме да ги наречем отрицателни.

Но когато нещо има положителен заряд,и когато

нещо друго също има положителен заряд,

те взаимно се отблъскват.

Ние също така знаем,че ако имах нещо друго, друга

частица ,която има отрицателен заряд,

И отново, приложената дума "отрицателен"
е

напълно случайна.

Можели са да ги нарекат син заряд и червен заряд,но това

което знаем,е че когато обектът има друг заряд,

и в този случай го наричаме отрицателен - той ще бъде

привлечен от обект с положителен заряд.

Какво всъщност знаем за зарядите?

Зарядът е свойство,която частиците имат,и ако сложите

достатъчно частици на едно място,предполагам че обектите

също имат това свойство.

Така че зарятът е просто свойство.

И това е начин да кажа,че аз всъщност не

знам какво точно е.

И честно казано, никой поначало не

знае какво е то.

Всъшност,никой поначало не знае нищо.

Но зарядът е свойство на частиците и

обектите,точно като масата.

Ако се замислите, масата също е просто свойство.

И донякъде изглежда малко по-реално от

заряда,понеже нашият мозък е така устроен, че

разбира какво е маса,но може би схващаме какво са

тежест и обем повече от маса, но ще мислим над това

някой друг път.

Зарядите са малко по-абстрактни, понеже преди да

сме започнали да втриваме кехлибар в косите си,ние не сме

изпитвали ефектите на заряда,освен ако не сме били удряни от светкавица.

Така че,зарядът е свойство което частиците на обектите имат,и

ние знаем че има два типа заряд,които

случайно сме нарекли положителен и отрицателен.

Също така знаем че еднаквите заряди се отблъскват,

апротивоположните заряди се привличат.

Така че,какво можем да направим с това?

Е, ако имаме това свойство, аз смятам, че ще е

от полза да го измерим, и така

сме измислили величини,а величината за заряд се нарича

кулон.

Тя е кръстена на учен от късния 17 век,който много

си е играл със зарядите.

Можете да научите повече за него в Wikipedia.

Величината е наречена кулон,и за него има

много определения,но аз искам да мисля за него като за

елементарна частица,тъй като в някаква степен,

освен ако не навлезете в квантовата теория и започнете да говорите за

кварки и подобни неща,елементарният заряд е

зарядът на протон или неутрон.

В бъдеще ще навлезем в повече детайли относно

структурата на атомите,но засега просто ще

ви нарисувам нещо за пример.

Значи,в атома има известно количество неутрони,които

нямат това свойство на заряд.

Също така има известно количество протони,които

имат положителен заряд.

Отново, той е случайно

определен като позитивен.

Можели сме да го наречем червен заряд.

Също така има и неща,които се носят около него и са много,

много,много по-леки от протоните и неутроните в

ядрото,и те се наричат електрони.

Дори не е ясно дали те са истински обекти.

Те са почти като енергия,но понякога е добре

да ги разглеждаме като обекти.

Понякога е добре и да ги разглеждаме като–

е, не като обекти.

Ще се задълбочим в това малко по-късно,но електроните имат

отрицагтелен заряд.

И фундаменталната частица на заряда,доколкото

ни интересува в момента,преди да започнем отново да говорим за кварки и

други субатомни частици,е зарядът във

електрон или протон.

И те имат абсолютно същия заряд,и този елементарен

заряд е означен със "е".

Да бъда честен,не съм сигурен дали "е" означава

елементарен, или "е" означава електрон.

Но "е" е равно на заряда на протона,така че

вероятно означава елементарен заряд на протон.

И заряда на електрона е обратното на това,така че

отрицателното "е" е заряда на електрон.

Но ако се абстрахираме от знака,тогава

величините са абсолютно същите.

Така че,това са основите за които знаем досега в

нашата физика.

Това е фундаменталният заряд.

Фундаменталната единица на заряд е просто зарядът на протон

или неутрон.

Така че, как се отнася кулонът към това?

Кулонът,който ще означим с "С" е равен на - и

това също е случайно избран номер,но когато започнем

да се занимаваме с електричество,ще видим защо кулонът е

бил дефиниран по начина по който е,но кулонът е 6.24 умножено по 10

на 18-та степен "е"

Или можем да кажем че е 6.24 пъти по 10 на 18-та по

заряда на електрон,всъщност по заряда на

протона,и след това по отношение на големината.

Защото ако просто кажа кулон,аз всъшност не

давам никаква насока.

Така че ако го погледнем от друга страна,можем да кажем,че

елементарният заряд е равен на–поне величината му–

1,6 умножено по 10 на -19 степен кулона

Дотук добре.

Може да ви е полезно да го запомните,но обикновенно

ще ви бъде предоставено по някакъв начин.

Та, какво можем да направим?

Казваме, че обектите имат това свойство наречено заряд.

Еднаквите заряди се отблъскват.

Различните заряди се привличат.

Ако имаме достатъчно от тези протони събрани заедно,тогава

целият обект има заряд.

Ако имаме повече протони,отколкото електрони,тогава ние имаме

положителен заряд.

Ако имаме повече електрони,отколкото протони,

имаме отрицателен заряд.

И знаем, че сме дефинирали единицата за заряд,наречена

кулон,която е част от фундаменталния заряд.

Така че нека да си поиграем с нея,и да видим дали

ще можем да измерим заряда.

Част от началната–да я наречем–

дефиниция относно това какво е заряд,казах че еднаквите заряди

се отблъскват.

Еднаквите заряди се отблъскват,значи и двата са положителни.

Те ще се отблъскват.

При различните заряди,ако този е негативен,а този е позитивен,

те ще се привличат.

Така че според дефиницията,ако те се задвижват взаимно, тези две

частици ще се отдалечават ускорително

една от друга.

Тези две частици ще се движат ускорително

една към друга.

Зарядът между тези частици,или зарядът във

всяка една от тези частици трябва да генерира някакъв вид

сила.

Ако не се генерираше никаква сила,тогава те нямаше

да се отблъскват,или привличат една друга,и тук стигаме до

Закона на Кулон,и затова сме нарекли

зарядите на името на Кулон.

Кулон разбрал че,силата между два заряда е

равна на– и това ще бъде векторно количество,

след около 30 секунди ще ви кажа какво се случва с

посоката– е равна на "някаква константа умножена по първия

заряд по втория заряд разделено от разстоянието

помежду им на квадрат"

И товс е много добре,защото изглежда много близко

до– ако наречем това сила,електрическата сила,

това прилича на уравнието за гравитационната сила.

Само да запиша това.

Силата на гравитацията между 2 маси е равна на

гравитационната константа умножена по m1 умножено по m2,разделена на

разстоянието между тях на квадрат.

Досега,двете сили с които сме се занимавали,гравитация ,и

сега електрическа сила, евентуално ще

развием урока до електромагнитна сила,изглежда че те

се отнасят към разстоянието по подобен начин,а и

двете сили имат действие във вакуум.

Така че,няма значение че нямаме въздух,че нямаме

никакво вещество между двете частици,по някакъв начин

те комуникират една с друа,което аз лично намирам

за изумително.

Може да няма нищо между двете частици,но

някак си тази частица знае че тази частица е там,и

тази частица знае че тази частица е там, и те

започват да се движат без да имат никави–не е като да са

свързани една с друга с някаква жица,и някой да казва на

едната частица,"Хей,там има друга частица."

Започвай да се движиш.

Не знам дали и вие намирате това толко изумително колкото мен,но

ако се замислите, може да се убедите.

Същото е като гравитацията.

Двете маси не са свързани по никакъв начин.

Те може да се намират във вакуум,но някак си те знаят

че другата частица е там.

И когато започнем да учим за специалната теория на относителността и

тем подобни,ние ше разберем че там няма нищо,но

може би някак си масите по някакъв начин оформят вселената.

И може би това се случва

и с електрическите заряди.

Но за момента знаем,че имаме тези заряди,

и те упражняват сила един върху друг,която е пропорционална

на резултата от умножението на зарядите им разделен на

квадрата на разстоянието между тях.

И тази константа ето тук,това е–Винаги го забравям.

Каква беше тя?

Мисля че е 6.–Винаги забравям каква е тази константа.

Тя е 9, умножено по 10 на 9 степен.

Естествено е закръглена.

Щеше да бъде изумително,ако беше точно 9.

9,умножено по 10 на 9 степен,а величините са Нютон по метър на квадрат

върху кулон на квадрат.

Защо са точно тези величини?

Защото,в края на краищата,имаме кулон

по кулон,значи имаме кулон на квадрат,разделен на

метър на квадрат,и искаме да стигнем до нютон,

затова искаме да премахнем кулон на квадрат чрез преместването му под

знаменателя.

След това искаме да премахнем квадратния метър,и го поставяме

в числителя,и тогава оставаме с нютони с които да определим

силата,и затова величините са точно тези.

Знаейки това,нека да намерим

силата между двете частици.

Да кажем че имаме– Прекарах 10 минути в доста

изчерпателни обяснения,но задачите с които ще се срещнете

във вашите часове по физика са доста прости,когато става

въпрос за закона на Кулон.

Да кажем че имаме положителен заряд–имаме частица

която е със положителен заряд плюс – нека да измисля

някакво число – плюс 5 умножено по 10 на степен -3

кулона,така че това е положителен заряд.

Тук имаме отрицателен заряд,така че да кажем

че– Незнам.

Колко отдалечени да ги направя?

Да кажем че са на разстояние половин метър един от друг,0,5 метра разстояние,

и после имам отрицателен заряд тук,който е

минус 10 по 10 на -2 степен кулона.

Та,каква ще бъде силата между тези две частици?

Ако приложим закона на Кулон към тях,ние намираме

силата породена от електричество.

Електрическата сила.

Не породена от електричеството.

Все още не сме стигнали до там.

Статичната електрическа сила между тези две частици е

равна на 9, умножено по 10 на 9 степен

умножено по първия заряд,който е 5 умножено по 10 на степен минус 3,

по втория заряд който е–нека го запиша с друг цвят–умножено по

минус 10 умножено по 10 на степен минус 2–просто го надписах,

макар че вероятно не сте забелязали– делено на

квадрата на разстоянието,т.е квадрата на 0,5

Следователно се обръщаме към тази формула.

Така че това е равно на– Нека да погледна.

9, умножено по 0,5 умножено по 10

Ще използвам 10-ката отделно

Това е умножено по -10.

Това е 0,5 умножено по минус 10 което е минус 5,след това умножено по 9 е равно на минус 45

след това 10 на степен 9 плюс 10 на степен минус 3 е равно на 10 на степен 6,

събрано с 10 на степен минус 2 т.е. 10 на степен 4

– разделено на– какъв е квадрата на 0.5?

0,25 ,нали?

Което е равно на?

4 пъти това,плюс това

минус 180 умножено по 10 на 4 степен нютона.

Това може да ви изглежда като голямо число,но тези

заряди които аз използвам тук всъщност са относително големи заряди,

и да се надяваме, че ще започнете да се досещате кои заряди са големи и

кои са малки по-късно.

Но все пак,тези са относително големи заряди,и затова

силата която се оказва между тези две частици

е относително голяма.

Така,сега получихме отрицателно число,какво означава това?

Вече знаем че различните частици се привличат.

Почти като по дефиниция

В този случай,имахме положителен и отрицателен заряд,така че

когато достигнем до негативна сила след използване на

Закона на Кулон,това означава че силата привлича двете частици

една към друга по най-краткото разсттояние между тях.

Т.е. няма да ги кара да заобикалят.

Звучи логично.

Ако имахме положително число там,това би означавало,че силата

отблъсква двете частици.

И ако някога се объркате,просто мислете за това.

Ако и двете са отрицателни,те ще се отблъскват.

Ако и двете са положителни,те ще се привличат.

Ще се видим отново в следващото видео.