Penjelasan Hukum Coulomb, Formula dan Unit, Latihan, Eksperimen

Itu Hukum Coulomb Itu adalah hukum fisik yang mengatur interaksi antara objek yang dimuat secara elektrik. Dinyatakan oleh ilmuwan Prancis Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), berkat hasil eksperimennya melalui Balance Torsion.

Pada 1785, Coulomb mengalami waktu yang tak terhitung jumlahnya dengan bola kecil bermuatan listrik, misalnya membawa atau pergi dua bola, memvariasikan besarnya bebannya dan juga tanda. Selalu menonton dan mendaftarkan setiap jawaban dengan hati -hati.

Gambar 1. Skema yang menunjukkan interaksi antara biaya listrik spesifik melalui hukum Coulomb.

Bola kecil ini dapat dianggap sebagai beban spesifik, yaitu, objek yang dimensinya tidak signifikan. Dan mereka memenuhi, seperti yang diketahui sejak zaman orang Yunani kuno, bahwa beban dari tanda yang sama ditolak dan yang dari tanda berbeda tertarik.

Gambar 2. Insinyur Militer Charles Coulomb (1736-1806) dianggap sebagai ahli fisika terpenting di Prancis. Sumber: Wikipedia Commons.

Dengan pemikiran ini, Charles Coulomb menemukan yang berikut:

-Gaya tarik atau tolakan antara dua muatan spesifik berbanding lurus dengan produk dari besarnya beban.

-Gaya ini selalu diarahkan di sepanjang garis yang bergabung dengan beban.

-Akhirnya, besarnya gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak yang memisahkan beban.

[TOC]

Formula dan Unit Hukum Coulomb

Berkat pengamatan ini, Coulomb menyimpulkan bahwa besarnya gaya F Antara Dua Muatan Khusus Q₁ Dan Q₂, memisahkan jarak R, Secara matematis diberikan sebagai:

Karena gaya adalah besarnya vektor, untuk mengekspresikannya, vektor unit sepenuhnya didefinisikan R Ke arah garis yang bergabung dengan beban (vektor unit memiliki besarnya sama dengan 1).

Selain itu, konstanta proporsionalitas yang diperlukan mengubah ekspresi sebelumnya menjadi kesetaraan disebut k_Dan atau hanya k: konstanta elektrostatik salah satu Coulomb konstan.

Akhirnya, undang -undang Coulomb untuk beban tepat waktu ditetapkan, diberikan oleh:

Kekuatan, seperti biasa dalam sistem unit internasional, datang di Newton (N). Sedangkan untuk tuduhan, unit ini disebut Coulomb (c) untuk menghormati Charles Coulomb dan akhirnya jarak R datang dalam meter (m).

Mengamati dengan penuh perhatian persamaan sebelumnya, jelas bahwa konstanta elektrostatik harus memiliki unit n.M² / C², Untuk mendapatkan newton sebagai hasilnya. Nilai konstanta ditentukan secara eksperimental sebagai:

Dapat melayani Anda: vektor gratis: properti, contoh, latihan

k_Dan = 8.89 x 10 ⁹ N.M² / C² ≈ 9 x 10 ⁹ N.M² / C²

Gambar 1 mengilustrasikan interaksi antara dua muatan listrik: ketika mereka adalah tanda yang sama mereka ditolak, jika tidak mereka menarik.

Perhatikan bahwa hukum Coulomb cocok dengan hukum ketiga Newton atau hukum tindakan dan reaksi, oleh karena itu besarnya F₁ Dan F₂ Mereka sama, alamatnya sama, tetapi indera itu berlawanan.

Cara menerapkan hukum Coulomb

Untuk memecahkan interaksi antara muatan listrik, berikut ini harus diperhitungkan:

- Persamaan diterapkan secara eksklusif dalam hal beban spesifik, yaitu objek yang dimuat secara elektrik tetapi dengan dimensi yang sangat kecil. Jika objek yang dimuat memiliki dimensi yang dapat diukur, perlu untuk membaginya menjadi beban yang sangat kecil dan kemudian menambahkan kontribusi masing -masing beban ini, yang diperlukan perhitungan komprehensif.

- Gaya listrik adalah besarnya vektor. Jika ada lebih dari dua muatan yang berinteraksi, gaya bersih pada beban q_yo Itu diberikan oleh prinsip superposisi:

F_Bersih = F_I1 + F_I2 + F_I3 + F_I4 +… = ∑ F_{aku j}

Dimana subskripnya J Vale 1, 2, 3, 4 ... dan mewakili masing -masing beban yang tersisa.

- Itu harus selalu konsisten dengan unit. Yang paling sering bekerja dengan konstanta elektrostatik dalam unit jika, maka Anda harus memastikan beban berada di coulomb dan jarak dalam meter.

- Akhirnya, persamaan diterapkan saat beban dalam keseimbangan statis.

Latihan terpecahkan

- Latihan 1

Pada gambar berikut ada dua beban spesifik +Q dan +2Q. Beban waktu ketiga -Q ditempatkan pada p. Itu diminta untuk menemukan gaya listrik pada beban ini karena keberadaan yang lain.

Gambar 3. Diagram untuk tahun ini diselesaikan 1. Sumber: Giambattista, a. Fisika.

Larutan

Hal pertama adalah membangun sistem referensi yang sesuai, yang dalam hal ini adalah sumbu horizontal atau x -axis. Asal usul sistem ini mungkin ada di mana saja, tetapi dengan kenyamanan akan ditempatkan di P, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4A:

Dapat melayani Anda: BethelgeuseGambar 4. Skema untuk tahun ini diselesaikan 1. Sumber: Giambattista, a. Fisika.

Skema kekuatan pada -q juga ditunjukkan, dengan mempertimbangkan bahwa itu tertarik pada dua lainnya (Gambar 4B).

Mari kita menelepon F₁ Untuk kekuatan yang menggunakan beban yang pada beban -Q, mereka diarahkan sepanjang sumbu X dan titik dalam arti negatif, oleh karena itu: oleh karena itu::

Vektor unit ke arah sumbu x X Dengan aksen sirkumfleks dalam persamaan. Ini adalah notasi umum untuk vektor unit. Semakin sedikit tanda muncul karena kekuatan F₁ Poin dalam arti negatif dari sumbu.

Analog dihitung F₂:

Perhatikan bahwa besarnya F₂ Itu setengah dari F₁, Meskipun bebannya ganda. Untuk menemukan gaya bersih, mereka akhirnya ditambahkan secara vektor F₁ Dan F₂:

F_Bersih = (-k + k/2).(Q² /D²) (X) N = - (k/2).(Q² /D²) (X) N

- Latihan 2

Dua spherite polystyrene dengan massa yang sama m = 9.0 x 10^-8 kg memiliki beban positif yang sama Q dan ditangguhkan oleh benang sutra panjang L = 0,98 m. Bola dipisahkan jarak d = 2 cm. Hitung Nilai.

Larutan

Situasi pernyataan tersebut dijelaskan pada Gambar 5a.

Gambar 5. Skema untuk resolusi Latihan 2. Sumber: Giambattista, a. Fisika /f. Zapata.

Kami memilih salah satu spherite dan di atasnya kami menggambar diagram tubuh yang terisolasi, yang mencakup tiga kekuatan: berat badan W, Ketegangan tali T dan tolakan elektrostatik F, seperti yang muncul pada Gambar 5b. Dan sekarang langkah -langkahnya:

Langkah 1

Nilai θ/2 dihitung dengan segitiga Gambar 5c:

θ/2 = arcsen (1 x 10^-2/0.98) = 0.585º

Langkah 2

Maka Anda harus menerapkan hukum kedua Newton dan cocok dengan 0, karena tuduhannya dalam keseimbangan statis. Penting untuk menyoroti ketegangan itu T Ini cenderung dan memiliki dua komponen:

∑f_X = -T.sin θ + f = 0

∑f_Dan = T.cos θ - w = 0

Langkah 3

Kami menghapus besarnya ketegangan persamaan terakhir:

Itu dapat melayani Anda: Dinamika: Sejarah, Studi, Hukum, dan Teori Apa

T = w/ cos θ = mg/ cos θ

Langkah 4

Nilai ini diganti dalam persamaan pertama untuk menemukan besarnya f:

F = t sin θ = mg (sin θ / cos θ) = mg. Tg θ

Langkah 5

Seperti f = k q² /D², Itu membersihkan T:

Dengan mengganti nilai numerik yang disediakan oleh pernyataan, diperoleh:

Q = 2 × 10^-sebelas C.

Eksperimen

Memeriksa Hukum Coulomb Sederhana dengan menggunakan keseimbangan torsi yang mirip dengan yang digunakan di laboratoriumnya.

Ada dua bidang kecil Saúco, salah satunya, satu di tengah keseimbangan, ditangguhkan dari benang. Eksperimen ini terdiri dari menyentuh bola Saúco yang diunduh dengan bola logam lain yang dimuat dengan beban q.

Gambar 6. Keseimbangan torsi coulomb.

Segera beban didistribusikan secara merata di antara dua bola Saúco, tetapi kemudian, seperti halnya banyak tanda yang sama, mereka mengusir. Kekuatan yang menyebabkan torsi benang dari benang dan segera menjauh dari bola tetap bekerja pada bola yang ditangguhkan.

Kemudian kita melihat bahwa itu berkisar beberapa kali sampai keseimbangan mencapai. Kemudian torsi batang atau benang yang menahannya seimbang oleh gaya tolakan elektrostatik.

Jika bola awalnya di 0, sekarang bola seluler akan mengubah sudut θ. Di sekitar keseimbangan, ada pita pascasarjana dalam derajat untuk mengukur sudut ini. Ketika sebelumnya menentukan konstanta torsi, maka gaya tolakan dan nilai beban yang diperoleh oleh bola Saúco mudah dihitung dengan mudah.

Referensi

1. Figueroa, d. 2005. Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 5. Elektrostatika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, a. 2010. Fisika. Edisi kedua. Bukit McGraw.
3. Giancoli, d.  2006. Fisika: Prinsip dengan aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Resnick, r. 1999. Fisik. Vol. 2. Edisi ke -3. di Spanyol. Perusahaan Editorial Kontinental S.KE. dari c.V.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Ed. Volume 2.