Valintakoe A: Tekniikka ja luonnontieteet
Mikä on Coulombin laki?
Coulombin laki kertoo kahden pistevarauksen välisen sähköisen voiman suuruuden: F = k|q₁q₂| / r², missä q₁ ja q₂ ovat varaukset, r niiden välinen etäisyys ja k ≈ 8,99 · 10⁹ N · m²/C². Samanmerkkiset varaukset hylkivät ja erimerkkiset vetävät toisiaan. Voima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön.
Etäisyyden neliö tarkoittaa, että etäisyyden kaksinkertaistaminen pienentää voiman neljäsosaan ja etäisyyden puolittaminen nelinkertaistaa sen. Toisen varauksen kaksinkertaistaminen taas kaksinkertaistaa voiman.
Voimat ovat Newtonin kolmannen lain voimapari: kumpikin varaus kokee yhtä suuren voiman vastakkaisiin suuntiin, vaikka varaukset olisivat eri suuret. Usean varauksen tilanteessa voimat lasketaan erikseen ja summataan vektoreina.
Varaukset annetaan usein mikro- tai nanocoulombeina, jotka muunnetaan ennen sijoitusta: 1 µC = 10⁻⁶ C ja 1 nC = 10⁻⁹ C. Alkeisvaraus on e ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ C.
Kaava
F = k|q₁q₂| / r²
k ≈ 8,99 · 10⁹ N · m²/C²
1 µC = 10⁻⁶ C
Esimerkki
Pistevaraukset 4,0 µC ja −2,0 µC ovat 0,20 m:n päässä toisistaan. Laske niiden välisen voiman suuruus ja kerro, onko voima hylkivä vai vetävä.
- Muunna yksiköt: q₁ = 4,0 · 10⁻⁶ C ja q₂ = −2,0 · 10⁻⁶ C.
- F = 8,99 · 10⁹ · 4,0 · 10⁻⁶ · 2,0 · 10⁻⁶ / 0,20² N.
- F = 8,99 · 10⁹ · 8,0 · 10⁻¹² / 0,040 N ≈ 1,8 N.
- Varaukset ovat erimerkkiset, joten voima on vetävä.
Tyypillinen virhe
Voima jaetaan etäisyydellä eikä sen neliöllä, jolloin etäisyyden puolittaminen näyttäisi vain kaksinkertaistavan voiman. Oikeasti voima nelinkertaistuu. Toinen virhe on sijoittaa mikrocoulombit kaavaan sellaisenaan.
Valintakokeessa A
Sähköoppi kuuluu lukion fysiikkaan, johon valintakokeen A fysiikan ja kemian osio perustuu. Coulombin laki on esimerkki kääntäen verrannollisuudesta etäisyyden neliöön, samoin kuin gravitaatiolaki.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe A -kurssin luvussa 20: Sähköstatiikka ja sähkömagnetismi. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Mitä yhteistä on Coulombin lailla ja gravitaatiolailla?
Molemmissa voima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön ja suoraan verrannollinen kahden suureen tuloon: sähkössä varausten, gravitaatiossa massojen. Ero on siinä, että gravitaatio on aina vetävä, kun taas sähköinen voima voi olla hylkivä tai vetävä.
Mikä on sähkökentän voimakkuus?
Sähkökentän voimakkuus E on voima, jonka kenttä kohdistaa varaukseen, jaettuna varauksella: E = F/q. Pistevarauksen kentän voimakkuus on E = k|Q| / r². Yksikkö on N/C, joka on sama kuin V/m.