U članku o električni naboj Dan vrste električnog naboja Objašnjava se da se istosmjerni električni naboji međusobno odbijaju, dok se različiti električni naboji međusobno privlače. Drugim riječima, pozitivno nabijeni objekti privlače negativno nabijene objekte, pozitivno nabijeni objekti odbijaju pozitivno nabijene objekte, a negativno nabijeni objekti odbijaju negativno nabijene objekte. Ovaj fenomen pokazuje postojanje električne sile koja djeluje na pozitivno i negativno nabijene objekte. Koji čimbenici utječu na veličinu električne sile između električno nabijenih objekata?
Francuski fizičar Charles Coulomb (1736. – 1806.) proveo je niz eksperimenata 1780-ih kako bi istražio čimbenike koji utječu na veličinu električne sile između električno nabijenih objekata. Aparatura koju je koristio Coulomb bila je slična onoj koju je Cavendish koristio za istraživanje gravitacijske konstante, nazvanoj torzijska vaga. Coulomb je istraživao električnu silu, stoga je koristio dvije električno nabijene metalne kugle, dok je Cavendish istraživao gravitacijsku silu, stoga je koristio dvije neelektrično nabijene kugle mase.
Kako funkcionira skala momenta
Kako skala momenta funkcionira povezano je s predmetom moment sile ili okretni moment u poglavlju rotacijska dinamika.
Prostor u torzijskoj vagi je vakuum kako bi se spriječio prijenos električnog naboja na čvrstoj kugli u zrak. Određivanje količine električnog naboja na čvrstoj kugli vrši se sljedećom metodom. U početku se čvrsta kugla A električno nabije provođenjem ili trenjem. Čvrsta kugla A koja je električno nabijena spojena je s čvrstom kuglom B koja je još uvijek neutralna pomoću električnog vodiča dok se električni naboj čvrste kugle A ravnomjerno ne podijeli s čvrstom kuglom B. Ako je količina električnog naboja čvrste kugle A ½, tada je količina električnog naboja čvrste kugle B ½. Zatim se čvrsta kugla B i čvrsta kugla C spajaju električnim vodičem dok se električni naboj čvrste kugle B ravnomjerno ne podijeli s čvrstom kuglom C. Ako je količina električnog naboja čvrste kugle B ¼, tada je količina električnog naboja čvrste kugle C ¼. Na taj se način dobiva količina električnog naboja i vrsta električnog naboja čvrste kugle 1 i čvrste kugle 2.
Čvrsta sfera 1 i čvrsta sfera 2 su električno nabijene tako da se dvije čvrste sfere odbijaju ako dvije sfere imaju isti električni naboj ili se privlače ako dvije sfere imaju različite električne naboje. Postojanje privlačne ili odbojne sile između dvije električno nabijene čvrste sfere uzrokuje rotaciju čvrste sfere 2. Kut kretanja čvrste sfere 2 mjeri se kako bi se odredila električna sila koja djeluje na dvije čvrste sfere.
Čimbenici koji utječu na električnu silu
Na temelju eksperimenata provedenih korištenjem torzione vage, Coulomb je otkrio nekoliko stvari.
– U ovom eksperimentu, udaljenost između dvije čvrste kugle je uvijek ista. Kada je količina električnog naboja na čvrstoj kugli 1 jednaka 1 i količina električnog naboja na čvrstoj kugli 2 jednaka 1, tada je električna sila koja djeluje na obje čvrste kugle jednaka 1. Kada je količina električnog naboja na čvrstoj kugli 1 jednaka 2 i količina električnog naboja na čvrstoj kugli 2 jednaka 2, tada je električna sila koja djeluje na obje čvrste kugle jednaka 4. Coulomb je zaključio da je veličina električne sile koja djeluje na obje čvrste kugle proporcionalna umnošku količine naboja na obje čvrste kugle (F ≈ q1 q2).
– U ovom eksperimentu, količina naboja na obje čvrste kugle je uvijek ista. Ako je udaljenost između dvije čvrste kugle 1, tada je električna sila koja djeluje na obje čvrste kugle 1. Ako je udaljenost između dvije čvrste kugle 2, tada je električna sila koja djeluje na obje čvrste kugle ¼. Coulomb je zaključio da je veličina električne sile koja djeluje na obje čvrste kugle obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti (F ≈ 1 / r2)
Coulombov zakon
Coulombov zakon je zakon fizike koji objašnjava odnos između električne sile, električnog naboja i udaljenosti između naboja. Ovaj zakon je formuliran na temelju Coulombovih eksperimenata, kao što je objašnjeno u prethodnom članku.
Coulombov zakon navodi da je veličina sile kojom električno nabijena čestica djeluje na drugu električno nabijenu česticu izravno proporcionalna umnošku zbroja naboja dviju čestica i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između dviju električno nabijenih čestica. Ova sila djeluje duž ravne linije koja spaja dvije čestice. Električna sila je odbojna ako su električni naboji dviju čestica jednaki, a električna sila je privlačna ako električni naboji dviju čestica nisu jednaki.
Coulombov zakon može se izraziti matematičkom jednadžbom:
Opis formule:
F12 = električna sila između čestice 1 i čestice 2
q1 = broj naboja čestica 1
q2 = broj električnih naboja čestice 2
r12 = udaljenost između čestice 1 i čestice 2
(čitaj: epsilon nula) = 8,854 x 10-12 C2/Nm2
k = (Coulombova konstanta) = 9 x 109 nm2/C2
F21 je sila koju djeluje naboj q2 pri naboju q1, dok je F12 je sila koju djeluje naboj q1 pri naboju q2, F21 i F12 odbijaju se međusobno kada je naboj q1 i q2 slične su i privlače se međusobno kada je naboj q1 i q2 nije iste vrste.
F21 i F12 imaju istu vrijednost, suprotan smjer i djeluju na različite objekte, stoga su ove dvije sile par sila akcije i reakcije.
