Coulombin laki: kaava, määritelmä, soveltaminen käytännössä

Sähköstatiikassa yksi peruslakeista on Coulombin laki. Sitä käytetään fysiikassa kahden kiinteän pistevarauksen välisen vuorovaikutusvoiman tai niiden välisen etäisyyden määrittämiseen. Tämä on luonnon peruslaki, joka ei ole riippuvainen muista laeista. Silloin todellisen kappaleen muoto ei vaikuta voimien suuruuteen. Tässä artikkelissa selitämme yksinkertaisesti Coulombin lakia ja sen soveltamista käytännössä.

Löytöhistoria

Sh.O. Riipus vuodelta 1785 ensimmäistä kertaa kokeellisesti todistettu lain kuvaamat vuorovaikutukset. Kokeissaan hän käytti erityistä vääntövaakaa. Kuitenkin jo vuonna 1773 Cavendish osoitti pallokondensaattorin esimerkillä, että pallon sisällä ei ole sähkökenttää. Tämä osoitti, että sähköstaattiset voimat muuttuvat kappaleiden välisen etäisyyden mukaan. Tarkemmin sanottuna etäisyyden neliö. Sitten hänen tutkimustaan ​​ei julkaistu. Historiallisesti tämä löytö on nimetty Coulombin mukaan, sama nimi annetaan myös arvolle, jolla varaus mitataan.

Sanamuoto

Coulombin lain määritelmä kuuluu seuraavasti: Tyhjiössä Kahden varautuneen kappaleen F-vuorovaikutus on suoraan verrannollinen niiden moduulien tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.

Se kuulostaa lyhyeltä, mutta se ei välttämättä ole kaikille selvää. Yksinkertaisin sanoin: Mitä enemmän kehoilla on varausta ja mitä lähempänä ne ovat toisiaan, sitä suurempi voima.

Ja päinvastoin: Jos lisäät varausten välistä etäisyyttä, voima pienenee.

Coulombin säännön kaava näyttää tältä:

Kirjainten nimitys: q on varauksen määrä, r on niiden välinen etäisyys, k on kerroin, riippuu valitusta yksikköjärjestelmästä.

Varauksen q arvo voi olla ehdollisesti positiivinen tai ehdollisesti negatiivinen. Tämä jako on hyvin mielivaltainen. Kun kehot joutuvat kosketuksiin, se voi siirtyä toisesta toiseen. Tästä seuraa, että yhdellä ja samalla kappaleella voi olla eri suuruus- ja merkkivaraus. Pistevaraus on varaus tai kappale, jonka mitat ovat paljon pienempiä kuin mahdollisen vuorovaikutuksen etäisyys.

On syytä muistaa, että ympäristö, jossa varaukset sijaitsevat, vaikuttaa F-vuorovaikutukseen. Koska se on lähes yhtä suuri ilmassa ja tyhjiössä, Coulombin löytöä voidaan soveltaa vain näihin väliaineisiin, tämä on yksi tämän tyyppisen kaavan soveltamisen edellytyksistä. Kuten jo mainittiin, SI-järjestelmässä varauksen mittayksikkö on Coulomb, lyhennettynä Cl. Se kuvaa sähkön määrää aikayksikköä kohti. Johdettu perus-SI-yksiköistä.

1 Cl = 1 A * 1 s

On huomattava, että 1 C: n mitta on redundantti. Koska kantolaitteet hylkivät toisiaan, niitä on vaikea pitää pienessä kappaleessa, vaikka itse 1A: n virta on pieni, jos se virtaa johtimessa. Esimerkiksi samassa 100 W hehkulampussa virtaa 0,5 A ja sähkölämmittimessä yli 10 A. Tällainen voima (1 C) on suunnilleen yhtä suuri kuin se, joka vaikuttaa 1 tonnin massaiseen kappaleeseen maapallon sivulta.

Olet ehkä huomannut, että kaava on käytännössä sama kuin gravitaatiovuorovaikutuksessa, vain jos massoja esiintyy newtonilaisessa mekaniikassa, niin sähköstatiikassa ilmaantuvat varaukset.

Coulombin kaava dielektriselle väliaineelle

SI-järjestelmän arvot huomioon ottava kerroin määritetään N: ssä²* m²/Кл². Se on yhtä suuri kuin:

Monissa oppikirjoissa tämä kerroin löytyy murto-osan muodossa:

Täällä E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 on sähköinen vakio. Eristeelle lisätään E - väliaineen dielektrisyysvakio, jolloin Coulombin lakia voidaan käyttää laskemaan tyhjiön ja väliaineen varausten vuorovaikutusvoimat.

Kun otetaan huomioon eristeen vaikutus, sillä on muoto:

Tästä näemme, että eristeen lisääminen kappaleiden väliin vähentää voimaa F.

Miten voimat suunnataan

Varaukset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa napaisuudesta riippuen - samat hylkivät ja vastakkaiset (vastakkaiset) vetävät puoleensa.

Muuten, tämä on tärkein ero samanlaisesta gravitaatiovuorovaikutuksen laista, jossa kehot houkuttelevat aina puoleensa. Voimat suunnataan niiden väliin piirrettyä linjaa pitkin, jota kutsutaan sädevektoriksi. Fysiikassa merkitty r: llä₁₂ ja sädevektorina ensimmäisestä toiseen varauksesta ja päinvastoin. Voimat suuntautuvat varauksen keskustasta vastakkaiseen varaukseen tätä linjaa pitkin, jos varaukset ovat vastakkaisia, ja vastakkaiseen suuntaan, jos ne ovat samannimisiä (kaksi positiivista tai kaksi negatiivista). Vektorimuodossa:

Ensimmäiseen varaukseen toisen sivulta kohdistettu voima on merkitty F: llä_12. Sitten vektorimuodossa Coulombin laki näyttää tältä:

Toiseen varaukseen kohdistetun voiman määrittämiseksi merkintä F₂₁ ja R₂₁.

Jos kappaleella on monimutkainen muoto ja se on riittävän suuri, jotta sitä ei tietyllä etäisyydellä voida pitää pistevarauksena, niin se jaetaan pieniin osiin ja jokainen osa katsotaan pistevaraukseksi. Kun kaikki tuloksena olevat vektorit on lisätty geometrisesti, saadaan tuloksena oleva voima. Atomit ja molekyylit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa saman lain mukaan.

Sovellus käytännössä

Coulombin teokset ovat erittäin tärkeitä sähköstatiikassa, käytännössä niitä käytetään useissa keksinnöissä ja laitteissa. Silmiinpistävä esimerkki on salamanvarsi. Sen avulla rakennukset ja sähköasennukset suojataan ukkosmyrskyiltä, ​​mikä estää tulipalon ja laitevian. Kun sataa ukkosmyrskyä, maahan ilmestyy suurikokoinen indusoitunut varaus, joka vetää niitä kohti pilveä. Osoittautuu, että maan pinnalle ilmestyy suuri sähkökenttä. Salamanvarren kärjen lähellä sillä on suuri arvo, minkä seurauksena kärjestä syttyy koronapurkaus (maasta salamanvarren kautta pilveen). Maasta tuleva varaus vetää puoleensa pilven vastakkaiseen varaukseen Coulombin lain mukaan. Ilma ionisoituu ja sähkökentän voimakkuus pienenee lähellä salamanvarren päätä. Näin ollen varaukset eivät kerry rakennukseen, jolloin salamaniskun todennäköisyys on pieni. Jos rakennukseen tapahtuu isku, salamanvarren kautta kaikki energia menee maahan.

Vakavassa tieteellisessä tutkimuksessa käytetään 2000-luvun suurinta rakennetta - hiukkaskiihdytintä. Siinä sähkökenttä tekee työtä lisätäkseen hiukkasen energiaa. Kun tarkastellaan näitä prosesseja maksuryhmän vaikutuksen pistevaraukseen näkökulmasta, kaikki lain suhteet osoittautuvat todeksi.

Lopuksi suosittelemme katsomaan videon, joka antaa yksityiskohtaisen selityksen Coulombin laista:

Hyödyllinen aiheesta:

• Joule-Lenzin laki
• Johtimen resistanssin riippuvuus lämpötilasta
• Gimbalin säännöt
• Ohmin laki yksinkertaisin sanoin