מטען חשמלי, חוק קולון ושדה אלקטרוסטטי (שיטת רכיבים ואינטגרציה וקטורית)
מטען חשמלי, חוק קולון ושדה אלקטרוסטטי (שיטת רכיבים ואינטגרציה וקטורית)
פרק 1 — למידה מודרכת ותרגול מעמיק
מטרות למידה מרכזיות:
- הבנת מהות המטען החשמלי, קוונטיזציה של מטען ושימור מטען במערכת סגורה
- יישום מדויק של חוק קולון לחישוב הכוח ההדדי בין שני מטענים נקודתיים
- שימוש בעקרון הסופרפוזיציה לחישוב הכוח השקול הפועל על מטען במערך מטענים בדידים
- הבנת מושג השדה החשמלי כווקטור המוגדר בכל נקודה במרחב
- שליטה מלאה בשיטה א: פירוק גיאומטרי של השדה לרכיבים באמצעות זוויות וטריגונומטריה
- שליטה מלאה בשיטה ב: שיטת וקטור ההעתק ממטען המקור אל נקודת השדה
- מעבר למטענים רציפים: הגדרת צפיפות אורכית, משטחית ונפחית ובניית אלמנט מטען
- חישוב השדה החשמלי הנוצר על ידי תיל טעון סופי באמצעות אינטגרל ישיר
מטען חשמלי: תכונות יסוד, קוונטיזציה ושימור
מטען חשמלי הוא תכונה פנימית יסודית של חלקיקי החומר, בדומה למסה. אולם בעוד שמסה היא תמיד חיובית וגורמת למשיכה בלבד, מטען חשמלי מופיע בשני מופעים מנוגדים: חיובי ושלילי.
מטענים בעלי אותו סימן (שני חיוביים או שני שליליים) דוחים זה את זה, ואילו מטענים בעלי סימנים מנוגדים מושכים זה את זה. יחידת המטען במערכת הבינלאומית היא קולון, המסומנת באות סי.
כל מטען חופשי בטבע הוא כפולה שלמה של מטען היסוד של האלקטרון והפרוטון. תכונה זו נקראת קוונטיזציה של המטען:
פרוטון נושא מטען פלוס אי, אלקטרון נושא מטען מינוס אי, ונייטרון הוא חלקיק ניטרלי בעל מטען אפס. בנוסף, בכל תהליך פיזיקלי או כימי מתקיים חוק שימור המטען: סך כל המטען במערכת סגורה נותר קבוע לחלוטין.
תרגיל 1
רמת קושי: בסיסיכדור מוליך קטן נטען במטען שלילי כולל של מינוס שלוש נקודה שתיים ננו-קולון. חשבו כמה אלקטרונים עודפים הועברו לכדור כדי ליצור מטען זה.
| נתון | ערך |
|---|---|
| מטען הכדור | |
| מטען אלקטרון בודד |
שלב 1: שימוש בקשר הקוונטיזציה
המטען הכולל שווה למספר האלקטרונים העודפים מוכפל במטען של אלקטרון יחיד:
שלב 2: הצבת ערכים מספריים
נציב את הערכים ביחידות קולון:
התוצאה מראה כי הועברו לכדור עשרים מיליארד אלקטרונים.