Itu menyenangkan Pikirkan konstanta fisik mendasar. Ini adalah nilai -nilai khusus yang digunakan dalam model alam semesta fisik kami. Mereka termasuk hal -hal seperti kecepatan cahaya, konstanta gravitasi, dan konstanta Planck, dan mereka “mendasar” dalam arti bahwa kita tidak dapat memperolehnya secara teoritis, kita hanya dapat mengukurnya.
Kami menggunakan ini dalam memecahkan masalah fisika sepanjang waktu, jadi mudah untuk menerima begitu saja. tapi kenapa adalah Ada angka -angka seperti itu di alam, dan mengapa mereka kebetulan memiliki nilai -nilai spesifik itu? Karena, dengarkan, jika mereka hanya sedikit berbeda, alam semesta mungkin tidak mampu mendukung kehidupan. Apakah beberapa pembuat jam kosmik mengatur parameter ini? Isaac Newton berpikir begitu.
Salah satu yang paling mendasar dari angka -angka ini adalah konstanta listrik, k. Ini adalah nilai yang memungkinkan kita menghitung kekuatan antara muatan listrik. Itu masalah besar ketika Anda menganggap bahwa semua materi hanya terbuat dari tiga hal – elektron, neutron, dan proton, dua di antaranya memiliki muatan listrik. Interaksi antara elektron adalah apa yang membentuk molekul untuk menciptakan Anda dan segala sesuatu di sekitar Anda. Kalau tidak, semuanya hanya akan menjadi sup yang tidak berdiferensiasi.
Tetapi bagaimana kita mengetahui nilai konstanta listrik? Juga, apa hubungannya dengan konstanta fundamental lainnya? Dan dalam hal ini, apakah itu Sungguh mendasar? Mari kita selidiki.
Hukum dan konstan Coulomb
Ketika kami mengatakan sesuatu memiliki muatan listrik, maksud kami memiliki jumlah proton dan elektron yang berbeda. Jika pengering pakaian Anda menghilangkan beberapa elektron dari kaus kaki Anda, mereka menjadi bermuatan positif. Jika mereka mendapatkan elektron, mereka akan dibebankan secara negatif. (Catatan: Anda tidak dapat mengambil proton, karena mereka berada di inti atom. Ini akan melibatkan reaksi nuklir, yang tidak diinginkan siapa pun.)
Jika Anda memiliki dua objek dengan tuduhan yang berlawanan, mereka menarik. Jika mereka memiliki biaya yang sama, mereka mengusir. Berikut adalah demo yang bisa Anda lakukan sendiri: ambil selotip jernih dan letakkan di atas meja yang halus. Kemudian letakkan bagian kedua di atas yang itu, dan tarik bersama. Sekarang, jika Anda memisahkannya, seseorang akan positif dan seseorang akan negatif; Pegang mereka di dekat dan mereka akan membungkuk ke arah satu sama lain.
Jika Anda mengulangi prosesnya, Anda akan memiliki dua kaset positif dan dua negatif. Tahan dua dengan tuduhan serupa di dekat satu sama lain, dan Anda akan melihat bahwa mereka mengusir, seperti pada gambar di bawah ini:
Semakin kecil jarak antara kaset, semakin besar gaya penolak. Jika Anda meningkatkan muatan pada pita (atau keduanya), kekuatan juga akan menjadi lebih kuat. Pada 1785, Charles-Augustin de Coulomb memodelkan gaya elektrostatik ini, jadi kami menyebutnya hukum Coulomb. Ini adalah persamaan terkenal yang dipelajari setiap kimia dan fisika. Sepertinya ini:
Di sini dua objek dipisahkan oleh jarak R. Nilai -nilai tuduhan mereka Q1 Dan Q2 di unit, yah, Coulombs. Untuk mendapatkan kekuatan di Newton, unit standar untuk mengukur gaya (F), kita membutuhkan konstan proporsionalitas – itu k– Konstanta listrik, juga dikenal sebagai konstanta Coulomb. Di unit -unit ini memiliki nilai k = 8.987 x 109 nm2/C2 (Newton-meter kuadrat per Coulomb kuadrat … jangan khawatir tentang itu).
Itu angka besar, dan itu menunjukkan seberapa kuat interaksi listrik – jauh lebih kuat, pada kenyataannya, daripada interaksi gravitasi. Terkejut? Ini bukan sesuatu yang Anda perhatikan, karena semua objek mengandung muatan positif dan negatif pada tingkat molekuler, sehingga mereka memiliki jumlah kekuatan menarik dan menjijikkan yang sebagian besar dibatalkan. Interaksi gravitasi yang membuat Anda disematkan ke bumi lebih jelas karena melibatkan hanya Kekuatan yang menarik (Anda tidak dapat memiliki massa negatif), dan karena kami berbintik -bintik di atas batu raksasa.
Bagaimana dia mendapatkannya
Untuk menghasilkan ini, Coulomb membuat instrumen yang disebut keseimbangan torsi. Itu memiliki batang horizontal tipis yang tergantung dari serat sehingga bisa berputar dengan bebas – semuanya terkandung dalam silinder kaca untuk melindunginya dari angin yang salah. Kemudian dia memiliki dua bola logam kecil, satu stasioner dan satu di ujung batang (ditambah penyeimbang di ujung yang lain sehingga seimbang).
Dia kemudian memberikan dua bola tuduhan serupa sehingga mereka menolak, dan dia mengukur defleksi batang. Kemudian, untuk memvariasikan tuduhan, dia mengambil satu bola dan menyentuhnya ke identik tetapi tidak bermuatan Bola, memotong muatannya menjadi dua, dan dia direnovasi. Tongkat itu bergerak setengah sejauh.
Ini menunjukkan bahwa gaya listrik (F) sebanding dengan produk dari tuduhan (Q1Q2). Kemudian, dengan memvariasikan jarak antara bola dia menemukan itu F adalah sebaliknya sebanding dengan kejauhan kuadrat (R2). Itu berarti, misalnya, bahwa kekuatan yang menarik antara dua tuduhan tumbuh sangat cepat saat mereka semakin dekat satu sama lain (yaitu, seperti R semakin kecil).
Tapi bagaimana dia menemukan nomor ajaibnya k? Anda tidak akan menyukai jawaban ini, tetapi Coulomb tidak tahu nilai konstan Coulomb – yang berarti dia tidak bisa mengukur gaya listrik (F). Yang bisa dia katakan adalah bahwa itu semua proporsional. Masalahnya adalah bahwa tidak ada cara untuk mengukur muatan listrik. Tidak ada coulomb di zaman Coulomb.
Tetapi dengan menjalankan eksperimen serupa dari waktu ke waktu, para ilmuwan kemudian secara bertahap memusatkan perhatian pada nilai konstanta listrik, yang sekarang kita tahu adalah k = 8.987 x 109 nm2/C2.
Permitivitas ruang kosong
Kita bisa berhenti di situ, tapi hei, sains tidak pernah berhenti. Anda tahu itu. Ternyata ada konstanta lain yang terkait dengan konstanta Coulomb. Kami menyebutnya “izin ruang kosong ”(e0), yang pasti kedengarannya menyenangkan. Ini memberi tahu kita betapa sulitnya membuat medan listrik dalam ruang hampa. Yang lebih kecil e0 atau permitivitas yang lebih rendah, berarti Anda akan mendapatkan medan listrik yang lebih besar dari muatan yang sama. Ya, itu tampaknya mundur, tapi hanya bagaimana mereka mendefinisikannya. Sudah terlambat untuk berubah.
Apakah ada nilai permitivitas untuk ruang yang tidak kosong juga? Yup. Kami menyebutnya dielektrik permitivitas (e), dan itu tergantung pada jenis bahan. Misalnya, lebih sulit untuk menghasilkan medan listrik dalam air daripada di kaca, jadi air memiliki ε yang lebih tinggi.
Dengan permitivitas ini konstan, kita dapat menulis ulang hukum Coulomb sebagai berikut:
Yang saya lakukan hanyalah mengganti k dengan ¼πε0Di mana e0 = 8.854 x 10–12 
C2/(nm2). Itu mungkin tampak seperti penyimpangan yang tidak ada gunanya. Tetapi ini memungkinkan kita untuk melakukan sesuatu yang cukup indah: kita dapat menciptakan hubungan dengan konstanta mendasar lainnya. Secara khusus, ada hubungan yang sangat keren antara permitivitas (e0 ) dan kecepatan cahaya (C).
Di sini, surat Yunani mu, M0adalah konstanta magnetik, alias permeabilitas ruang kosong. Saya akan melakukan bagian lain minggu depan untuk yang satu ini, jadi tetaplah disini. Untuk saat ini, cukup untuk mengatakan bahwa kedua konstanta ada di sana karena cahaya adalah sebuah elektromagnetik melambai.
Hubungan ini juga berlaku untuk ruang yang tidak kosong, di mana cahaya harus melakukan perjalanan melalui medium seperti, katakanlah, air. Tetapi kedua konstanta akan jauh lebih tinggi, yang berarti cahaya akan bergerak jauh lebih lambat dalam air.
Ingat ketika saya mengatakan di atas bahwa konstanta fisika adalah “mendasar” – mereka tidak dapat diturunkan, hanya diukur secara empiris? Nah, seperti yang Anda lihat, itu tidak sepenuhnya benar. Persamaan di atas menempatkan kendala pada tiga konstanta tertentu ini, jadi kita hanya perlu mengukur dua dari mereka, dan kemudian kita dapat menghitung yang ketiga. Jika kita tahu kecepatan cahaya dan permeabilitas, kita dapat memperoleh permitivitas dan dengan ekstensi konstanta listrik, k.
Saya tahu itu terdengar gila, tetapi pada titik tertentu Anda harus menyadari bahwa semua unit dan konstanta kami sewenang -wenang. Kami harus memilih beberapa tempat untuk mulai menemukan nilai dan kemudian membangun unit kami seperti House of Cards. Jika Anda mengubah salah satunya, semuanya jatuh.
