Coulombův zákon: vzorec, definice, aplikace v praxi

V elektrostatice je jedním ze základních zákonů Coulombův zákon. Ve fyzice se používá k určení síly interakce mezi dvěma stacionárními bodovými náboji nebo vzdálenosti mezi nimi. Toto je základní přírodní zákon, který nezávisí na žádných jiných zákonech. Pak tvar skutečného tělesa neovlivňuje velikost sil. V tomto článku si jednoduše vysvětlíme Coulombův zákon a jeho aplikaci v praxi.

Historie objevů

Sh.O. Přívěsek z roku 1785 poprvé experimentálně prokázala interakce popsané zákonem. Při svých pokusech používal speciální torzní rovnováhu. Nicméně již v roce 1773 Cavendish na příkladu kulového kondenzátoru dokázal, že uvnitř koule není žádné elektrické pole. To naznačovalo, že elektrostatické síly se mění v závislosti na vzdálenosti mezi tělesy. Přesněji čtverec vzdálenosti. Pak jeho výzkum nebyl zveřejněn. Historicky byl tento objev pojmenován po Coulombovi, stejně se jmenuje i hodnota, ve které se náboj měří.

Znění

Definice Coulombova zákona zní: Ve vakuu F interakce dvou nabitých těles je přímo úměrná součinu jejich modulů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi.

Zní to krátce, ale nemusí to být každému jasné. Jednoduše řečeno: Čím větší náboj mají tělesa a čím blíže jsou k sobě, tím větší je síla.

A naopak: Pokud zvětšíte vzdálenost mezi náboji, síla se zmenší.

Vzorec pro Coulombovo pravidlo vypadá takto:

Označení písmen: q je množství náboje, r je vzdálenost mezi nimi, k je koeficient, závisí na zvolené soustavě jednotek.

Hodnota náboje q může být podmíněně kladná nebo podmíněně záporná. Toto rozdělení je velmi libovolné. Když se těla dostanou do kontaktu, může se přenášet z jednoho na druhé. Z toho vyplývá, že jedno a totéž těleso může mít náboj různé velikosti a znaménka. Bodový náboj je náboj nebo těleso, jehož rozměry jsou mnohem menší než vzdálenost možné interakce.

Je třeba si uvědomit, že prostředí, ve kterém se náboje nacházejí, ovlivňuje F interakce. Vzhledem k tomu, že na vzduchu a ve vakuu je téměř stejný, je Coulombův objev použitelný pouze pro tato média, je to jedna z podmínek pro aplikaci tohoto typu vzorce. Jak již bylo zmíněno, v soustavě SI je měrnou jednotkou pro náboj Coulomb, zkráceně Cl. Charakterizuje množství elektřiny za jednotku času. Odvozeno ze základních jednotek SI.

1 Cl = 1 A * 1 s

Je třeba poznamenat, že rozměr 1 C je nadbytečný. Vzhledem k tomu, že se nosiče navzájem odpuzují, je obtížné je udržet v malém tělese, přestože samotný proud 1A je malý, pokud teče ve vodiči. Například ve stejné 100 W žárovce proudí proud 0,5 A a v elektrickém ohřívači více než 10 A. Taková síla (1 C) je přibližně rovna té, která působí na těleso o hmotnosti 1 tuny ze strany zeměkoule.

Možná jste si všimli, že vzorec je prakticky stejný jako v gravitační interakci, pouze pokud se v newtonské mechanice objeví hmoty, pak se objeví náboje v elektrostatice.

Coulombův vzorec pro dielektrické médium

Koeficient zohledňující hodnoty soustavy SI je určen v N²* m²/Кл². Rovná se:

V mnoha učebnicích lze tento koeficient nalézt ve formě zlomku:

Zde E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 je elektrická konstanta. Pro dielektrikum se přidá E - dielektrická konstanta prostředí, pak lze Coulombův zákon použít k výpočtu sil interakce nábojů pro vakuum a prostředí.

Vezmeme-li v úvahu vliv dielektrika, vypadá to takto:

Odtud vidíme, že zavedení dielektrika mezi tělesa snižuje sílu F.

Jak jsou síly směrovány

Náboje na sebe vzájemně působí v závislosti na jejich polaritě - stejné se odpuzují a opačné (opačné) se přitahují.

To je mimochodem hlavní rozdíl od podobného zákona gravitační interakce, kde se tělesa vždy přitahují. Síly jsou směrovány podél čáry nakreslené mezi nimi, nazývané vektor poloměru. Ve fyzice se označuje jako r₁₂ a jako vektor poloměru od prvního k druhému náboji a naopak. Síly směřují ze středu náboje k opačnému náboji podél této čáry, pokud jsou náboje opačné, a opačným směrem, pokud jsou stejného jména (dva kladné nebo dva záporné). Ve vektorové podobě:

Síla působící na první náboj ze strany druhého je označena jako F_12. Ve vektorové podobě pak Coulombův zákon vypadá takto:

Pro určení síly působící na druhý náboj se používá označení F₂₁ a R₂₁.

Pokud má těleso složitý tvar a je dostatečně velké, že jej v dané vzdálenosti nelze považovat za bodový náboj, pak je rozděleno na malé úseky a každý úsek je považován za bodový náboj. Po geometrickém sečtení všech výsledných vektorů se získá výsledná síla. Atomy a molekuly se vzájemně ovlivňují podle stejného zákona.

Aplikace v praxi

Coulombova díla jsou v elektrostatice velmi důležitá, v praxi se využívají v řadě vynálezů a zařízení. Nápadným příkladem je hromosvod. S jeho pomocí jsou budovy a elektroinstalace chráněny před bouřkami, čímž se zabrání požáru a selhání zařízení. Když prší s bouřkou, objeví se na zemi indukovaný náboj velké velikosti, který je přitahován k mraku. Ukazuje se, že na povrchu Země se objevuje velké elektrické pole. V blízkosti hrotu hromosvodu má velkou hodnotu, v důsledku čehož dochází ke vznícení koronového výboje z hrotu (ze země, přes hromosvod do mraku). Podle Coulombova zákona je náboj ze země přitahován k opačnému náboji mraku. Vzduch je ionizován a intenzita elektrického pole se u konce hromosvodu snižuje. Náboje se tak na budově nehromadí, v takovém případě je pravděpodobnost úderu blesku malá. Pokud dojde k úderu do budovy, pak přes hromosvod půjde veškerá energie do země.

V seriózním vědeckém výzkumu se používá největší struktura 21. století - urychlovač částic. V něm elektrické pole vykonává práci na zvýšení energie částice. Uvážíme-li tyto procesy z hlediska působení na bodový náboj skupinou nábojů, pak se všechny vztahy zákona ukazují jako pravdivé.

Na závěr doporučujeme zhlédnout video, které poskytuje podrobné vysvětlení Coulombova zákona:

Užitečné k tématu:

• Joule-Lenzův zákon
• Závislost odporu vodiče na teplotě
• Pravidla Gimpu
• Ohmův zákon jednoduchými slovy