Electrostatics (part 1): Introduction to Charge and Coulomb's Law

Introduction to Charge and Coulomb's Law (video from May 2008 that I forgot to upload)

Räägime natuke millestki, mis minu arust on üks

saladuslikemaid jõude universumis.

Tegelikult on minu arust kõik jõud universumis

üsna saladuslikud nii, et räägime

natuke laengust.

Ja me kõik oleme kuulnud laengust.

Lae akut.

Sellel osakesel on laeng.

Aga kui sa selle peale mõtled, siis kõik mis laeng tähendab, on

seda, et on selline omadus nimega laeng, ja me kõik teame,

et kui miski hoiab positiivset laengut -- ja selle nimetamine

positiivseks on natuke juhuslik.

Ega prootonitel ei ole väikest plussi peale kirjutatud.

Me oleksime võinud nad negatiivseks nimetada.

Aga kui millelgi on positiivne laeng ja kui

millelgi on veel positiivne laeng, siis

nad tõukuvad.

Me teame veel, et kui mul oleks midagi muud, üks teine

osake millel oleks juhtumisi negatiivne laeng, ja veel

kord, sõna "negatiivne" sellele rakendada on

täiesti juhuslik.

Nad oleks võinud need nimetada siniseks ja punaseks laenguks, aga kõik

mis me teame on see, et kui ühel objektil on teine laeng --

sellel juhul me kutsume seda negatiivseks -- siis see

tõmbub positiivse poole.

Mida me siis laengust teame?

Laeng on omadus, mis on osakestel ja, kui sa paned

piisavalt osakesi kokku, ma arvan objektidel on

ka see omadus.

Nii, et see on lihtsalt omadus.

Ja see on lihtsalt viis öelda, et

me ei tea, mis see on.

Ja ausalt öeldes, mitte keegi ei tea täpselt,

mis see on.

Päriselt ei tea keegi midagi täpselt.

Aga laeng on osakeste ja objektide

omadus, täpselt nagu mass.

Ma pean silmas, kui sa selle peale mõtled, mass on lihtsalt omadus.

Ja mingil tasandil tundub see tõelisem kui

laeng, sest meie ajud on sisse seatud kuigi palju

aru saama, mis mass on, aga tegelikult me saame aru

rohkem kaalust ja ruumalast kui massist, aga me saame selle

peale teine kord rohkem mõtelda.

Laeng on natuke abstraktsem, sest enne kui me

hakkasime merevaiku juustesse hõõruma, ei kogenud

me tegelikult laengut, kui me just välguga pihta ei saanud.

Nii, et laeng on omadus mis on osakestel või objektidel ja

me teame, et on kahte tüüpi laengut, mille me

oleme juhuslikult nimetanud positiivseks ja negatiivseks.

Ja me teame, et sarnased laengud tõukuvad ja vastanduvad laengud

tõmbuvad, või erinevad laengud tõmbuvad, jah?

Mis me sellega siis teha saame?

Noh, kui meil on see omadus, siis ma arvan et kasulik

oleks mõõta seda omadust, ja nii

mõtlesime me välja ühikud ning laengu ühik on

kulon.

See on nimetatud 1700-ndatel elanud teadlase,Coulomb, järgi, kes

mängis laenguga palju.

Te võite tema kohta rohkem uurida Wikipediast.

Aga selle nimi on kulon, ning kulon -- tal on

palju definitsioone kuid mulle meeldib mõelda kui

elementaarosakestest, sest kuigi kaugele,

kui sa ei lähe kvantteooriasse ja ei räägi

kvarkidest ja asjadest, on elementaarlaeng

laeng prootonil või neutronil.

Nii et ma lähen detailidesse tulevikus hoopis

aatomite struktuuris või milleski, aga las ma

toon ühe väikese näite.

Nüüd aatomites on tihti mõned neutronid, millel

ei ole seda laengu omadust.

Selles on mõned prootonid, millel

on positiivne laeng.

Veel kord, see on

juhuslikult defineeritud kui positiivne.

Me oleks võinud selle nimetada punaseks laenguks.

Ja siis on seal sellised asjad ümber hõljumas, mis on

palju, palju, palju kergemad prootonitest ja neutronitest

tuumas, neid kutsutakse elektronideks.

Pole isegi selge, et nad on päris objektid.

Nad on peaaegu nagu energia, aga mõnikord on kasulik

neid objektidena vaadelda.

Mõnikord on kasulike neid vaadelda kui--

noh, mitte objekte.

Ja me süveneme sellesse hiljem, aga elektronidel

on negatiivne laeng.

Ja väikseim laeng - nii palju kui see meid

praegu huvitab, enne kui me räägime kvarkidest

ja teistest võimalikest elementaarosakestest - on laeng

elektronis või prootonis.

Ja neil on täpselt sama laeng, ning seda

elementaarlaengut tähistatakse tähega e.

Ning kui aus olla, ei tea ma kas e tähendab

elementaar või elektron.

Aga tegelikult, e on võrdne laenguga prootonis nii, et

see ilmselt tähistab prootoni elementaarlaengut.

Ja laeng elektronis on selle negatiiv nii, et

negatiivne e on elektroni laeng.

Aga kui meid märk ei huvita, siis

suurused on samad.

See on siis elementaar nii kaugel kui me teame või

meie füüsikas.

See on elementaarlaeng.

Elementaarlaeng on lihtsalt laeng prootonis

või elektronis.

Kuidas siis kulon siia juurde käib?

Noh, 1 kulon, mida me märgime C-ga, on võrdne ja

see on üsna juhuslik number, aga kui me alustame

elektriga toimetamist, siis me näeme miks kulon

defineeriti nii, aga 1 kulon on 6.24 korda 10 astmes

18 elementaarlaengut.

Või sa võiksid öelda 6.24 korda 10 astmes 18

elektroni laengut -- tegelikult, ka

prootoni laengut, muidugi, suuruses.

Sest kui me ütleme lihtsalt kulon, siis ma

ei anna tegelikult suunda.

Kui sa vaatad seda teistpidi, siis sa võid öelda, et

elementaarlaeng on võrdne -- vähemalt selle suurus--

1.6 korda 10 astmes -19 kulonit.

Nii see on.

See võib olla kasulik number mida meeles pidada, aga

tavaliselt see antakse sulle mingil viisil.

Mis me siis teha saame?

Me ütleme, et nendel objektidel on selline omadus nimega laeng.

Sarnased laengud tõukuvad.

Erinevad laengud tõmbuvad.

Kui meil on piisavalt prootoneid koos, siis on

tervel objektil laeng.

Kui meil on rohkem prootoneid kui elektrone, siis meil on

positiivne laeng.

Kui meil on rohkem elektrone kui prootoneid, meil

on negatiivne laeng.

Ja me teame, et me oleme defineerinud selle laengu ühiku

kuloni, mis on mingi hulk elementaarlaenguid.

Mängime siis sellega ja üritame

mõõta laengut.

Osa sellest algsest-- me võiks seda nii kutsuda--

definitsioon mis laeng on, ma ütlesin et sarnased laengud

tõukuvad, jah?

Sarnased laengud tõukuvad, need mõlemad on positiivsed.

Nad tõukavad üksteist.

Ja erinevad laengud, see on negatiivne, see positiivne,

nad tõmbavad üksteist, jah?

Niisiis, definitsiooni järgi, kui nad liigutavad üksteist, need kaks

osakest kiirendavad

üksteisest eemale.

Need kaks osakest kiirendavad

üksteise poole.

Laeng nende osakeste vahel või laeng nendes

osakestes peab tekitama mingisuguse

jõu, jah?

Kui jõudu ei teki, siis nad ei

tõukuks või tõmbuks, ja siin me jõuame

Coulombi seaduseni, ja selle pärast on laengud

nimetatud Coulombi järgi.

Coulomb sai aru, et jõud kahe laengu vahel

on võrdne-- see on vektoriaalne suurus, ja

umbes 30 sekundi pärast, ma ütlen mis juhtub

suunaga-- võrdub mingi konstant korda esimene

laeng korda teine laeng jagatud nendevahelise

vahemaa ruuduga.

See on päris lahe, sest see näeb välja

väga-- kui me nimetame selle jõu, elektrijõu,

mis näeb välja nagu gravitatsioonijõu võrrand.

Las me kirjutan selle üles.

Gravitatsioonijõud kahe massi vahel on võrdne

gravitatsioonikonstant korda m1 korda m2 jagatud

nendevahelise vahemaa ruuduga.

Nii kaugel, kaks jõudu mis me oleme üle vaadanud, gravitatsiooniline, ja

nüüd me vaatame elektrijõudu ja kunagi me

laiendame selle elektromagneetiliseks jõuks, see tundub nagu

nad käituvad vahemaa tagant sama moodi, ja mõlemad

jõud toimivad vaakumis.

Vahet pole kas seal on õhku, kui seal ei ole

mingit vaheainet kahe osakese vahel, kuidagi nad

suhtlevad omavahel, mis minu

arust on hämmastav, õigus?

Seal ei ole midagi nende kahe osakese vahele, aga

kuidagi see osake teab, et teine osake on seal

ja see osake teab, et esimene osake on seal, ja nad

hakkavad liikuma ilma mingi-- nad ei ole ju

juhtmega ühenduses ja keegi ei ütle

teisele osakesele "Hei, seal on osake.

Hakka liikuma."

Ma ei tea kas see on teile sama hämmastav kui mulle, aga

mõtelge selle peale ja võib-olla see muutub.

Ja täpselt nagu gravitatsioon.

Ma mõtlen, kaks massi ei ole kuidagi ühenduses.

Nad võivad istuda kuskil vaakumis, aga kuidagi, nad teavad,

et teine osake on seal.

Kui me hakkame õppima erirelatiivsust ja

kõike seda, siis me õpime, et seal ei ole midagi, aga

võib-olla massid kujundavad kuidagi universumit.

Ja sama võib toimuda

ka elektrilaengutega.

Aga kõik mis me siiamaani teame on see, et meil on need laengud

ja, et nad rakendavad jõudu üksteisele, mis on võrdeline

nende vastavate laengute korrutisega jagatud

nendevahelise vahemaa ruuduga.

Ja see konstant siin, see on-- ma unustan selle alati.

Mis see oligi?

Ma arvan, et see on 6.-- Ma unustan alati mis see konstant on.

See on 9 korda 10 astmes 9.

See on ümardatud, loomulikult.

See oleks hämmastav, kui see oleks täpselt 9.

9 korda 10 astmes 9, ja ühik on njuutonmeeter

ruudus kulon ruudus kohta.

Miks on ühik selline?

Noh, sest lõpuks, meil on kulon,

siis meil on kulon ruudus jagatud

meeter ruuduga, ja me tahame, et lõpuks oleks njuuton nii, et

me tahame kulon ruudust lahti saada pannes selle

nimetajasse.

Me tahame lahti saada meeter ruudust pannes selle

nimetajasse, ja siis me saame lõpuks njuutonid, et saada

jõud, sealt see ühik tulebki.

Teades seda, arvutame välja

jõu kahe osakese vahel.

Ütleme, et mul on-- ma olen juba 10 minutit kulutanud üsna

venivale seletusele, kuid tegelikud ülesanded, mis sa näed

oma füüsikatunnis on üsna otsekohesed, kui asi

puudutab Coulombi seadust.

Seal on öeldud, hei, on üks positiivne-- on üks osake,

millel on positiivne laeng +, las ma mõtlen

ühe hea numbri, +5 korda 10 astmes -3

kulonit, see on siis positiivne laeng.

Ja siis on meil siin negatiivne laeng, ütleme siis,

et-- ma ei tea.

Kui kaugele ma nad panen?

Ütleme, et nad on poole meetri kaugusel üksteisest, 0,5 meetri kaugusel,

ja siis on negatiivne laeng mis on

10 korda 10 astmes -2 kulonit.

Kui suur on siis jõud nende kahe osakese vahel?

Kui me nad lihtsalt Coulombi seadusesse paneme, saame me

jõu elektri tõttu.

Elektrijõu.

Mitte elektri tõttu.

Me ei ole seda teinud veel.

Staatiline elektrijõud nende kahe osakese vahel on

võrdne konstant 9 korda 10 astmes 9 korda

esimene laeng korda 5 korda 10 astmes -3 korda

teine laeng-- las ma teen selle teist värvi-- korda

-10 korda 10 astmes -2, ma kirjutasin selle uuesti,

kuigi te ilmselt ei näe seda, jagatud

vahemaa ruuduga nii, et 0.5 ruudus.

Me lihtsalt rakendasime seda valemit.

See võurdub-- las ma vaatan.

Nii 9 korda 0,5 korda 10.

Ma teen 10 eraldi.

See on siis korda -10.

See on 0,5 korda -10 on 5 korda 9 on -45,

ja siis 10 astmes 9-3, seega 10 astmes 6, ja siis

-2, seega 10 astmes 4, korda 10 astmes

4, jagatud, mis on 0,5 ruudus?

See on 0,25?

Ja see võrdub millega?

See võrdub 4 korda see ülemine osa, 160, pluss see on võrdne

-180 korda 10 astmes 4 njuutonit.

Ja tegelikult, see võib tunduda nagu suur number, aga päriselt

need laengud, mis ma siia panin on üsna suured laengud,

ja loodetavasti te saate aimu milline on suur või

väike laeng hiljem.

Aga need on mõistliku suurusega laengud, ja sellepärast

on rakendatud jõud üsna suur nende

kahe osakese vahel.

Nüüd, me saime negatiivse arvu, mis see tähendab?

Nii, me teame, et erinevad laengud tõmbuvad, eks?

Peaaegu definitsiooni järgi.

Sellisel juhul, meil olid positiivne ja negatiivne nii,

et meil oli lõpuks negatiivne jõud kui me kasutasime Coulombi

seadust, see tähendab, et jõud tõmbab neid kahte osakest

üksteise poole lühimat nendevahelist trajektoori pidi.

Ma mõtlen, et see ei pane neid liikuma mööda kaart.

See on loogiline.

Kui meil oleks seal positiivne, see tähendaks, et jõud oleks

neid osakesi tõukav.

Ja kui sa kunagi segadusse satud, lihtsalt mõtle selle peale.

Kui nad on mõlemad negatiivsed, siis nad tõukuvad.

Kui mõlemad on positiivsed, siis nad tõukuvad.

Ma näen teid järgmises videos.