Legea lui Coulomb: formulă, definiție, aplicare în practică

În electrostatică, una dintre legile fundamentale este legea lui Coulomb. Este folosit în fizică pentru a determina forța de interacțiune între două sarcini punctuale staționare sau distanța dintre ele. Aceasta este o lege fundamentală a naturii care nu depinde de alte legi. Atunci forma corpului real nu afectează mărimea forțelor. În acest articol, vom explica în termeni simpli legea lui Coulomb și aplicarea ei în practică.

Istoria descoperirilor

Sh.O. Pandantiv în 1785 pentru prima dată a demonstrat experimental interacţiunile descrise de lege. În experimentele sale, a folosit o balanță specială de torsiune. Cu toate acestea, în 1773 a fost dovedit de Cavendish, folosind exemplul unui condensator sferic, că nu există câmp electric în interiorul sferei. Acest lucru a indicat că forțele electrostatice se modifică în funcție de distanța dintre corpuri. Mai exact, pătratul distanței. Apoi cercetarea lui nu a fost publicată. Din punct de vedere istoric, această descoperire a fost numită după Coulomb, același nume fiind dat și valorii în care este măsurată sarcina.

Formularea

Definiția legii lui Coulomb este: În vid Interacțiunea F a două corpuri încărcate este direct proporțională cu produsul modulelor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Sună scurt, dar poate să nu fie clar pentru toată lumea. Cu cuvinte simple: Cu cât corpurile au mai multă sarcină și cu cât sunt mai aproape unele de altele, cu atât forța este mai mare.

Si invers: Dacă măriți distanța dintre sarcini, forța va deveni mai mică.

Formula pentru regula Coulomb arată astfel:

Desemnarea literelor: q este cantitatea de sarcină, r este distanța dintre ele, k este coeficientul, depinde de sistemul de unități selectat.

Valoarea sarcinii q poate fi condiționat pozitivă sau condiționat negativă. Această împărțire este foarte arbitrară. Când corpurile intră în contact, acesta poate fi transmis de la unul la altul. De aici rezultă că unul și același corp poate avea o sarcină diferită ca mărime și semn. O sarcină punctiformă este o sarcină sau un corp ale cărui dimensiuni sunt mult mai mici decât distanța de interacțiune posibilă.

Trebuie avut în vedere că mediul în care sunt situate încărcăturile afectează interacțiunile F. Deoarece este aproape egal în aer și în vid, descoperirea lui Coulomb este aplicabilă doar pentru aceste medii, aceasta este una dintre condițiile pentru aplicarea acestui tip de formule. După cum sa menționat deja, în sistemul SI, unitatea de măsură pentru sarcină este Coulomb, prescurtat Cl. Caracterizează cantitatea de energie electrică pe unitatea de timp. Derivat din unitățile SI de bază.

1 Cl = 1 A * 1 s

Trebuie remarcat faptul că dimensiunea lui 1 C este redundantă. Datorită faptului că purtătorii se resping unul pe altul, este dificil să le ținem într-un corp mic, deși curentul de 1A în sine este mic dacă curge în conductor. De exemplu, în aceeași lampă cu incandescență de 100 W, curge un curent de 0,5 A, iar într-un încălzitor electric, mai mult de 10 A. O astfel de forță (1 C) este aproximativ egală cu cea care acționează asupra unui corp cu masa de 1 tonă din partea globului.

S-ar putea să fi observat că formula este practic aceeași ca în interacțiunea gravitațională, doar dacă mase apar în mecanica newtoniană, atunci sarcinile apar în electrostatică.

Formula lui Coulomb pentru un mediu dielectric

Coeficientul luând în considerare valorile sistemului SI este determinat în N²* m²/Кл². Este egal cu:

În multe manuale, acest coeficient poate fi găsit sub forma unei fracții:

Aici E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 este o constantă electrică. Pentru un dielectric, se adaugă E - constanta dielectrică a mediului, apoi legea lui Coulomb poate fi folosită pentru a calcula forțele de interacțiune a sarcinilor pentru un vid și un mediu.

Ținând cont de influența dielectricului, acesta are forma:

De aici vedem că introducerea unui dielectric între corpuri reduce forța F.

Cum sunt direcționate forțele

Sarcinile interactioneaza intre ele in functie de polaritatea lor - aceleasi se resping, iar cele opuse (opuse) se atrag.

Apropo, aceasta este principala diferență față de o lege similară a interacțiunii gravitaționale, în care corpurile sunt întotdeauna atrase. Forțele sunt direcționate de-a lungul liniei trasate între ele, numită vector rază. În fizică, notat cu r₁₂ și ca vector cu rază de la prima la a doua sarcină și invers. Forțele sunt direcționate de la centrul sarcinii către sarcina opusă de-a lungul acestei linii, dacă sarcinile sunt opuse, și în sens opus, dacă sunt cu același nume (două pozitive sau două negative). În formă vectorială:

Forța aplicată primei sarcini din partea celei de-a doua se notează cu F_12. Apoi, sub formă vectorială, legea lui Coulomb arată astfel:

Pentru a determina forța aplicată celei de-a doua sarcini, notația F₂₁ și R₂₁.

Dacă corpul are o formă complexă și este suficient de mare încât la o anumită distanță să nu poată fi considerat o sarcină punctuală, atunci este împărțit în secțiuni mici și fiecare secțiune este considerată o sarcină punctiformă. După adăugarea geometrică a tuturor vectorilor rezultați, se obține forța rezultată. Atomii și moleculele interacționează între ele conform aceleiași legi.

Aplicare în practică

Lucrările lui Coulomb sunt foarte importante în electrostatică; în practică, ele sunt folosite într-o serie de invenții și dispozitive. Un exemplu izbitor este un paratrăsnet. Cu ajutorul acestuia, clădirile și instalațiile electrice sunt protejate de furtuni, prevenind astfel incendiul și defecțiunile echipamentelor. Când plouă cu furtună, pe sol apare o sarcină indusă de mare magnitudine, ei sunt atrași spre nor. Se pare că pe suprafața pământului apare un câmp electric mare. În apropierea vârfului paratrăsnetului, are o valoare mare, în urma căreia se aprinde o descărcare corona din vârf (de la sol, prin paratrăsnet până în nor). Sarcina de pe pământ este atrasă de sarcina opusă a norului, conform legii lui Coulomb. Aerul este ionizat, iar intensitatea câmpului electric scade aproape de capătul paratrăsnetului. Astfel, încărcăturile nu se acumulează pe clădire, caz în care probabilitatea unui fulger este mică. Dacă se produce o lovitură asupra clădirii, atunci prin paratrăsnet toată energia va intra în pământ.

În cercetările științifice serioase, se folosește cea mai mare structură a secolului 21 - acceleratorul de particule. În el, câmpul electric face munca pentru a crește energia particulei. Considerând aceste procese din punctul de vedere al efectului asupra unei sarcini punctuale de către un grup de sarcini, atunci toate relațiile legii se dovedesc a fi adevărate.

În cele din urmă, vă recomandăm să vizionați videoclipul, care oferă o explicație detaliată a Legii lui Coulomb:

Util pe tema:

• Legea Joule-Lenz
• Dependența rezistenței conductorului de temperatură
• Regulile Gimp
• Legea lui Ohm în cuvinte simple