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)

Vamos falar um pouco sobre aquilo que considero ser uma das

forças mais misteriosas do universo.

Na verdade, acho que todas as forças do universo são

bastante misteriosas, então vamos falar um

pouco sobre carga.

E todos nós já ouvimos o conceito de "carga".

Carregar a bateria.

Esta partícula tem carga.

Mas quando realmente se pensa sobre isso, toda essa carga significa

que existe uma propriedade chamada "carga", e sabemos

que se algo contém uma carga positiva - e chamando

isso de positivo, é um pouco arbitrário.

Não é como os prótons que têm um pequeno "+" escrito sobre eles.

Poderíamos tê-los chamados de negativos.

Mas quando algo tem uma carga positiva e quando

outra coisa tem uma carga positiva, que

eles se repelem.

Sabemos também que se eu tivesse alguma outra coisa, outro

partícula que passou a ter uma carga negativa, e uma vez

novamente, a palavra "negativo" a ser aplicada a este é

completamente arbitrária.

Eles poderiam ter chamado-o carregar azul e cobrar vermelho, mas todos

que sabemos é que quando um outro objeto tem o outro encargo -

neste caso, chamamos isso de negativo - que vai ser

atraídos para uma carga positiva.

Então, o que sabemos sobre carga?

Charge é uma propriedade que as partículas têm, e se você colocar

partículas suficiente juntos, eu acho que os objetos têm que

propriedade, bem.

Por isso é apenas uma propriedade.

E isso é uma maneira de dizer que eu realmente não

sabe o que é.

E, francamente, ninguém fundamentalmente

sabe o que é.

Na verdade, ninguém realmente sabe alguma coisa fundamentalmente.

Mas cobrar é uma propriedade das partículas e

objetos, assim como em massa.

Quer dizer, se você pensar sobre isso, a massa é apenas uma propriedade.

E até certo ponto, parece um pouco mais real do que

cobrar, porque os nossos cérebros estão conectados a, de alguma forma

compreender o que é massa, mas estamos provavelmente compreender

peso e volume mais de massa, mas podemos pensar mais

sobre isso em outro momento.

Charge é um pouco mais abstrata, porque, antes de

começou a esfregar âmbar em nosso cabelo, nós realmente não

experiência cobram muito menos que nós temos atingido por um raio.

Então carga é uma propriedade que as partículas ou objetos, e

sabemos que existem dois tipos de carga, que nós

arbitrariamente chamado positivos e negativos.

E sabemos que cargas iguais se repelem e cargas opostas

atrair, ou ao contrário de atrair cargas, certo?

Então o que podemos fazer com isso?

Bem, se nós temos essa propriedade, acho que um útil

coisa a fazer seria a mensurar a propriedade, e assim

que surgiu com unidades, e assim a unidade de carga é chamado

o coulomb.

É o nome de um cientista no final de 1700, que jogou

torno de um lote com carga.

Você poderia olhar para cima mais sobre ele na Wikipedia.

Mas é chamado de coulomb, eo coulomb - há uma

monte de definições, mas eu gosto de pensar nisso em termos

das partículas elementares, apenas porque, em algum grau,

a menos que você vá para a teoria quântica e começar a falar sobre

quarks e outras coisas, a carga elementar é a

carga em um próton ou um nêutron.

Então, eu vou entrar em mais detalhes no futuro em verdade, o

estrutura dos átomos e tudo o mais, mas deixe-me

desenhar um pequeno exemplo.

Assim, um átomo tende a ter alguns nêutrons neles, que não

tem essa propriedade responsável.

Ele vai ter alguns prótons neles, que

têm uma carga positiva.

Mais uma vez, que é tipo de

arbitrariamente definido como positivo.

Poderíamos ter chamado uma carga vermelho.

E então ele tem essas coisas por aí que são muito,

muito, muito mais leve que os prótons e os nêutrons em

o núcleo, e estes são chamados de elétrons.

Não é sequer claro que eles são objetos reais.

Eles são quase como a energia, mas às vezes é útil

vê-los como objetos.

Às vezes é útil para vê-los como -

bem, não como objetos.

E nós falaremos sobre tudo isso mais tarde, mas os elétrons têm

uma carga negativa.

E a unidade fundamental de carga, na medida em que estamos

preocupado agora, antes de começar a falar sobre quarks e

outras partículas subatômicas, potencialmente, é a carga em um

elétron ou próton.

E eles têm a carga exatamente o mesmo, e que elementar

carga é representada por e.

E para ser franco, eu não tenho certeza se e está para

elementares ou e significa elétron.

Mas, na verdade, e é igual à carga de um próton por isso

provavelmente representa a carga elementar de um próton.

E a carga de um elétron é negativa deste, de modo

e negativa é a carga de um elétron.

Mas, se não se importava com sinal, então o

magnitudes são os mesmos.

Então esse é o fundamental, tanto quanto sabemos, ou mesmo em

nossa física.

Essa é a carga fundamental.

A unidade fundamental de carga é apenas a carga em um próton

ou nêutrons.

Assim como um coulomb relacionar com isso?

Bem, um coulomb, que vamos denotar por C, é igual a - e

este é um bit de um número arbitrário, mas quando começamos a

fazer as coisas com a eletricidade, vamos ver por que o foi coulomb

definiu a forma como ele é, mas um coulomb é 6,24 vezes 10 a

o décimo oitavo e é.

Ou você pode dizer que é 6,24 vezes 10 vezes para o XVIII, a

carga de um elétron - na verdade, vezes a carga em

um próton, e depois, claro, em termos de magnitude.

Porque se eu apenas dizer coulomb, eu não estou

realmente dar uma direção.

Então, se você olhar para ele o contrário, você pode dizer que

a carga elementar é igual a - pelo menos a sua magnitude -

1,6 vezes 10 elevado a menos 19 coulombs.

Assim, justo o suficiente.

Isso pode ser um número útil para memorizar, mas vai

normalmente ser fornecida para você de alguma forma.

Então o que podemos fazer?

Dizemos que esses objetos têm essa propriedade chamada carga.

Cargas iguais se repelem.

Ao contrário de atrair cargas.

Se temos o suficiente destes prótons juntos, então a

objeto inteiro tem carga.

Se tivermos mais prótons que elétrons, então temos um

carga positiva.

Se tivermos mais elétrons que prótons, que

têm uma carga negativa.

E sabemos que nós definimos esta unidade de carga chamado

coulomb, que é um grupo da carga fundamental.

Então, vamos brincar com isso e ver se

podemos medir carga.

Assim, parte da inicial - Acho que podemos chamá-lo -

definição sobre o que acusação é, eu disse que acusações como

repelir, certo?

Como cargas repelem assim que ambos são positivos.

Eles vão se repelem.

E ao contrário de taxas, se este for negativo, isto é positivo,

eles estão indo para atrair uns aos outros, certo?

Então, por definição, se eles estão se movendo uns aos outros, estes dois

partículas vão acelerar

longe um do outro.

Essas duas partículas estão indo para acelerar

uns com os outros.

A carga entre essas partículas ou a carga em

cada uma dessas partículas deve estar gerando algum tipo de

força, certo?

Se não havia nenhuma força que está sendo gerado, então eles não

repelir ou atrair uns aos outros, e é aí que nós começamos a

Lei de Coulomb, e é por isso que chamamos

acusações após Coulomb.

Coulomb descobriu que a força entre duas cargas é

igual a - e isso vai ser uma grandeza vetorial, e

em cerca de 30 segundos, eu vou te dizer o que acontece com a

direção - é igual a alguma constante vezes o primeiro

carga vezes a segunda carga dividida pela distância

entre eles ao quadrado.

E isso é muito arrumado, porque isso parece uma terrível

muito parecido - por isso, se chamamos isso a força, a força elétrica,

que se parece muito com a equação da força gravitacional.

Deixe-me escrever isso.

A força da gravidade entre duas massas é igual ao

constante gravitacional vezes m1 vezes m2, dividido pelo

distância entre eles ao quadrado.

Até agora, as duas forças que nós cobrimos, gravidade e

agora estamos cobrindo força elétrica e nós eventualmente

expandir essa força eletromagnética para, parece que eles tipo

de agir à distância de uma forma similar, e ambos os

forças se aplicam em um vácuo.

Então não importa se você não tem ar, se você não tem

substâncias entre as duas partículas, de alguma forma eles estão

comunicar uns com os outros, que eu acho

espécie de direito, surpreendente?

Você pode ter nada entre essas duas partículas, mas

de alguma forma, esta partícula sabe que essa partícula está lá e

partícula que sabe que essa partícula está lá, e eles

começar a se mover, sem ter qualquer - não é como eles têm

um fio ligado ao outro e alguém está dizendo a

outra partícula, hey, há uma partícula lá.

Começar a se mover.

Então eu não sei se você achar que tão incrível como eu faço, mas

pensar sobre isso e você pode.

E é apenas como a gravidade.

Quero dizer, as duas massas são de modo algum conectado.

Eles poderiam estar sentados em um vácuo, mas de alguma forma, eles sabem

que a outra partícula está lá.

E quando começamos a aprender sobre a relatividade especial e

tudo isso, vamos aprender que não há nada lá, mas

talvez as massas são realmente de algum modo dar forma ao universo.

E talvez o que está acontecendo com o

cargas elétricas também.

Mas tudo o que sabemos neste momento é que temos essas acusações

e que eles exercem uma força sobre o outro que é proporcional

ao produto de suas respectivas cargas, dividido pelo

o quadrado da distância entre eles.

E esse direito constante aqui, que é - eu sempre esqueço isso.

O que foi?

Eu acho que é 6 .-- Eu sempre esqueço o que é constante.

É 9 vezes 10 elevado à nona.

É arredondada, é claro.

Isso seria fantástico se fosse exatamente 9.

9 vezes 10 elevado a nona, e as unidades são newton-metro

quadrados por coulomb quadrado.

E porque são aquelas as unidades?

Bem, muito bem, porque no final, temos coulomb,

coulomb, por isso estamos indo ter coulomb quadrado dividido

por metro quadrado, e queremos terminar com newtons, para que

deseja cancelar o coulomb quadrado, colocando-o no

denominador.

Queremos anular o metro quadrado, colocando-o em

o numerador, e então nós vamos acabar com o newtons para obter

a força, de modo que é justamente onde as unidades vêm.

Assim, dado que, vamos descobrir o

força entre duas partículas.

Então, digamos que eu tenho - e eu passei 10 minutos com um bonito

prolixa explicação, mas os problemas reais que você verá

na sua aula de física são bastante simples quando se

vem a Lei de Coulomb.

Então eles dizem, hey, nós temos uma positiva -, temos uma partícula

aqui que tem uma carga positiva de mais - deixe-me pensar

de um bom número - mais de 5 vezes 10 elevado a menos 3

coulombs, de modo que uma carga positiva.

E então temos uma carga negativa aqui, então vamos dizer

que - eu não sei.

Até onde eu os faço?

Vamos dizer que eles estão meio metro de distância, 0,5 metros de distância,

e então eu tenho uma carga negativa aqui que é 10 menos

10 vezes 10 elevado a menos 2 coulombs.

Então, qual é a força entre essas duas partículas?

Então, se nós apenas ligá-los à Lei de Coulomb, temos a

força devido à eletricidade.

A força elétrica.

Não devido à eletricidade.

Não fizemos isso ainda.

A força estática elétrica entre essas duas partículas é

igual à constante 9 vezes 10 elevado à nona vezes o

primeiro tempo de carga 5 vezes 10 elevado a menos 3 vezes o

segunda acusação - deixe-me fazer isso em uma cor diferente - os tempos

menos 10 vezes 10 elevado a 2 menos - eu reescrevi o texto

embora você provavelmente não pode vê-lo - dividido pelo

quadrado da distância, então 0,5 ao quadrado.

Nós apenas ligado a esta fórmula.

Então, que é igual a - deixe-me ver.

Assim, nove vezes 0,5 vezes 10.

Eu só vou fazer o 10 separadamente.

De modo que é menos 10 vezes.

Isso é 0,5 vezes menos 10 é menos 5 vezes 9 é de menos de 45 anos,

e, em seguida, 10 a menos do nono 3, então 10 para o sexto, e

em seguida, menos 2, para 10 para o quarto - 10 vezes ao

quarta - dividido por - eo que é 0,5 quadrado?

É 0,25, certo?

E isso é igual a quê?

Isso é igual a 4 vezes superior deste, 160, mais esta é igual

ao menos 180 vezes 10 elevado à quarta newtons.

E na verdade, isso pode parecer um número grande, mas estes

acusações de que eu coloquei aqui são acusações realmente bastante grande,

e esperamos que você vai ter um sentido para o que é um grande ou um

pequena carga mais tarde.

Mas essas são acusações razoavelmente grande, e é por isso que

há uma força relativamente grande entre estes exercendo

duas partículas.

Agora, temos um número negativo, então o que isso significa?

Bem, sabemos que ao contrário de atrair partículas, certo?

Quase por definição.

Neste caso, tivemos um positivo e um negativo, de modo

quando vamos acabar com uma força negativa quando usamos de Coulomb

Lei, o que significa que a força vai chamar as duas partículas

uns aos outros ao longo da distância mais curta entre eles.

Quero dizer, ele não vai fazê-los ir em uma curva.

Esse tipo de faz sentido.

Se tivéssemos um resultado positivo lá, o que significa que a força foi

repelindo as duas partículas.

E se você nunca se confundem, basta pensar sobre isso.

Se ambos são negativos, eles vão se repelem.

Se eles são ambos positivos, eles vão atrair.

Eu vou te ver no vídeo seguinte.