Im Artikel über elektrische Ladung Dan Arten von elektrischer Ladung Es wird erklärt, dass sich gleichnamige elektrische Ladungen abstoßen, während sich ungleichnamige elektrische Ladungen anziehen. Anders ausgedrückt: Positiv geladene Objekte ziehen negativ geladene Objekte an, positiv geladene Objekte stoßen positiv geladene Objekte ab und negativ geladene Objekte stoßen negativ geladene Objekte ab. Dieses Phänomen zeigt die Existenz einer elektrischen Kraft, die auf positiv und negativ geladene Objekte wirkt. Welche Faktoren beeinflussen die Stärke dieser elektrischen Kraft zwischen elektrisch geladenen Objekten?
Der französische Physiker Charles Coulomb (1736–1806) führte in den 1780er Jahren eine Reihe von Experimenten durch, um die Faktoren zu untersuchen, die die Stärke der elektrischen Kraft zwischen elektrisch geladenen Objekten beeinflussen. Die von Coulomb verwendete Apparatur ähnelte derjenigen, die Cavendish zur Untersuchung der Gravitationskonstante einsetzte; es handelte sich um eine Torsionswaage. Coulomb untersuchte die elektrische Kraft und verwendete daher zwei elektrisch geladene Metallkugeln, während Cavendish die Gravitationskraft untersuchte und dafür zwei nicht elektrisch geladene Kugeln mit der Masse m verwendete.
Funktionsweise einer Drehmomentskala
Die Funktionsweise einer Drehmomentskala hängt mit dem Thema zusammen. Drehmoment oder Kraftmoment in Kapitel Rotationsdynamik.
Der Raum in der Torsionswaage ist evakuiert, um zu verhindern, dass die elektrische Ladung der Kugel in die Luft übergeht. Die Bestimmung der Ladungsmenge der Kugel erfolgt nach folgendem Verfahren: Zunächst wird Kugel A durch Leitung oder Reibung elektrisch aufgeladen. Die geladene Kugel A wird mit der noch neutralen Kugel B über einen Leiter verbunden, bis sich die Ladung von Kugel A und Kugel B gleichmäßig verteilt hat. Beträgt die Ladung von Kugel A beispielsweise ½, so beträgt auch die Ladung von Kugel B ½. Anschließend werden Kugel B und Kugel C über einen Leiter verbunden, bis sich die Ladung von Kugel B und Kugel C gleichmäßig verteilt hat. Beträgt die Ladung von Kugel B beispielsweise ¼, so beträgt auch die Ladung von Kugel C ¼. Auf diese Weise werden die Ladungsmenge und die Ladungsart der Kugeln A und B bestimmt.
Die beiden Vollkugeln 1 und 2 sind elektrisch geladen. Sind sie gleich geladen, stoßen sie sich ab; sind sie unterschiedlich geladen, ziehen sie sich an. Die Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen den beiden geladenen Kugeln bewirkt die Rotation von Kugel 2. Der Rotationswinkel von Kugel 2 wird gemessen, um die auf die beiden Kugeln wirkende elektrische Kraft zu bestimmen.
Faktoren, die die elektrische Kraft beeinflussen
Auf der Grundlage von Experimenten, die mit einer Torsionswaage durchgeführt wurden, entdeckte Coulomb mehrere Dinge.
In diesem Experiment ist der Abstand zwischen den beiden Kugeln stets gleich. Wenn die Ladung auf Kugel 1 jeweils 1 beträgt, ist die auf beide Kugeln wirkende elektrische Kraft 1. Beträgt die Ladung auf Kugel 1 jeweils 2, so ist die auf beide Kugeln wirkende elektrische Kraft 4. Coulomb folgerte, dass die Stärke der auf beide Kugeln wirkenden elektrischen Kraft proportional zum Produkt ihrer Ladungen ist (F ≈ q).1 q2).
In diesem Experiment ist die Ladungsmenge auf beiden Kugeln stets gleich. Beträgt der Abstand zwischen den Kugeln 1, so ist die auf beide Kugeln wirkende elektrische Kraft 1. Beträgt der Abstand 2, so ist die auf beide Kugeln wirkende elektrische Kraft ¼. Coulomb folgerte, dass die Stärke der auf beide Kugeln wirkenden elektrischen Kraft umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist (F ≈ 1/r²).2)
Coulombsches Gesetz
Das Coulombsche Gesetz ist ein physikalisches Gesetz, das den Zusammenhang zwischen elektrischer Kraft, elektrischer Ladung und dem Abstand zwischen Ladungen erklärt. Dieses Gesetz wurde, wie im vorherigen Artikel erläutert, auf Grundlage von Coulombs Experimenten formuliert.
Coulombsches Gesetz Die Kraft, die ein elektrisch geladenes Teilchen auf ein anderes ausübt, ist direkt proportional zum Produkt der Summenladungen beider Teilchen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands. Diese Kraft wirkt geradlinig zwischen den Teilchen. Sind die Ladungen gleich groß, ist die elektrische Kraft abstoßend; sind sie ungleich groß, ist sie anziehend.
Das Coulomb-Gesetz lässt sich in folgender mathematischer Gleichung ausdrücken:
Formelbeschreibung:
F12 = elektrische Kraft zwischen Teilchen 1 und Teilchen 2
q1 = Anzahl der Teilchenladungen 1
q2 = die Anzahl der elektrischen Ladungen des Teilchens 2
r12 = Abstand zwischen Teilchen 1 und Teilchen 2
(gelesen: Epsilon Null) = 8,854 x 10-12 C2/Nm2
k = (Coulomb-Konstante) = 9 x 109 nm2/C2
F21 ist die Kraft, die von der Ladung q ausgeübt wird.2 bei Ladung q1, während F12 ist die Kraft, die von der Ladung q ausgeübt wird.1 bei Ladung q2. F21 und F12 Sie stoßen sich gegenseitig ab, wenn die Ladung q beträgt.1 und q2 Sie sind ähnlich und ziehen sich gegenseitig an, wenn die Ladung q beträgt.1 und q2 nicht vom selben Typ.
F21 und F12 Da sie den gleichen Wert haben, aber in entgegengesetzte Richtungen wirken und auf verschiedene Objekte wirken, bilden diese beiden Kräfte ein Aktions-Reaktions-Kraftpaar.
