Coulombov zakon: formula, definicija, primjena u praksi

U elektrostatici, jedan od temeljnih zakona je Coulombov zakon. Koristi se u fizici za određivanje sile interakcije između dva stacionarna točkasta naboja ili udaljenosti između njih. Ovo je temeljni zakon prirode koji ne ovisi ni o kakvim drugim zakonima. Tada oblik stvarnog tijela ne utječe na veličinu sila. U ovom članku ćemo jednostavno objasniti Coulombov zakon i njegovu primjenu u praksi.

Povijest otkrića

Sh.O. Privjesak 1785. godine po prvi put eksperimentalno dokazao interakcije opisane zakonom. U svojim eksperimentima koristio je posebnu torzijsku vagu. Međutim, davne 1773. god dokazao je Cavendish na primjeru sfernog kondenzatora da unutar kugle nema električnog polja. To je pokazalo da se elektrostatičke sile mijenjaju ovisno o udaljenosti između tijela. Točnije, kvadrat udaljenosti. Tada njegovo istraživanje nije objavljeno. Povijesno gledano, ovo otkriće je dobilo ime po Coulomb-u, isto ime nosi i vrijednost u kojoj se mjeri naboj.

Formulacija

Definicija Coulombovog zakona glasi: U vakuumu F interakcija dvaju nabijenih tijela izravno je proporcionalna umnošku njihovih modula i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih.

Zvuči kratko, ali možda nije svima jasno. Jednostavnim riječima: Što tijela imaju više naboja i što su bliža jedno drugom, to je sila veća.

I obrnuto: Ako povećate udaljenost između naboja, sila će postati manja.

Formula za Coulombovo pravilo izgleda ovako:

Označavanje slova: q je količina naboja, r je udaljenost između njih, k je koeficijent, ovisi o odabranom sustavu jedinica.

Vrijednost naboja q može biti uvjetno pozitivna ili uvjetno negativna. Ova podjela je vrlo proizvoljna. Kada tijela dođu u kontakt, može se prenijeti s jednog na drugo. Iz toga proizlazi da jedno te isto tijelo može imati naboj različit po veličini i predznaku. Točkasti naboj je naboj ili tijelo čije su dimenzije mnogo manje od udaljenosti moguće interakcije.

Treba imati na umu da okolina u kojoj se nalaze naboji utječe na F interakcije. Budući da je gotovo jednak u zraku i u vakuumu, Coulombovo otkriće je primjenjivo samo za ove medije, to je jedan od uvjeta za primjenu ove vrste formule. Kao što je već spomenuto, u SI sustavu mjerna jedinica za naboj je Coulomb, skraćeno Cl. Karakterizira količinu električne energije po jedinici vremena. Izvedeno iz osnovnih SI jedinica.

1 Cl = 1 A * 1 s

Treba napomenuti da je dimenzija 1 C suvišna. Zbog činjenice da se nosači međusobno odbijaju, teško ih je zadržati u malom tijelu, iako je sama struja od 1A mala ako teče u vodiču. Na primjer, u istoj žarulji sa žarnom niti od 100 W teče struja od 0,5 A, a u električnom grijaču više od 10 A. Takva sila (1 C) približno je jednaka onoj koja djeluje na tijelo mase 1 tona sa strane globusa.

Možda ste primijetili da je formula praktički ista kao u gravitacijskoj interakciji, samo ako se mase pojavljuju u Newtonovoj mehanici, tada se pojavljuju naboji u elektrostatici.

Coulombova formula za dielektrični medij

Koeficijent koji uzima u obzir vrijednosti SI sustava određen je u N²* m²/Кл². Jednako je:

U mnogim udžbenicima ovaj se koeficijent može naći u obliku razlomka:

Ovdje E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 je električna konstanta. Za dielektrik se dodaje E - dielektrična konstanta medija, tada se Coulombov zakon može koristiti za izračunavanje sila interakcije naboja za vakuum i medij.

Uzimajući u obzir utjecaj dielektrika, izgleda ovako:

Odavde vidimo da uvođenje dielektrika između tijela smanjuje silu F.

Kako su sile usmjerene

Naboji međusobno djeluju ovisno o svom polaritetu – isti se odbijaju, a suprotni (suprotni) privlače.

Usput, to je glavna razlika od sličnog zakona gravitacijske interakcije, gdje se tijela uvijek privlače. Sile su usmjerene duž linije povučene između njih, koja se naziva radijus vektor. U fizici se označava kao r₁₂ te kao radijus vektor od prvog do drugog naboja i obrnuto. Sile su usmjerene od središta naboja prema suprotnom naboju duž ove linije, ako su naboji suprotni, i u suprotnom smjeru, ako su istog imena (dva pozitivna ili dva negativna). U vektorskom obliku:

Sila primijenjena na prvi naboj sa strane drugog označava se kao F_12. Tada, u vektorskom obliku, Coulombov zakon izgleda ovako:

Za određivanje sile primijenjene na drugi naboj, oznaka F₂₁ i R₂₁.

Ako tijelo ima složen oblik i dovoljno je veliko da se na određenoj udaljenosti ne može smatrati točkastim nabojem, tada se dijeli na male dijelove i svaki se dio smatra točkastim nabojem. Nakon geometrijskog zbrajanja svih rezultirajućih vektora, dobiva se rezultujuća sila. Atomi i molekule međusobno djeluju prema istom zakonu.

Primjena u praksi

Coulombovi radovi su vrlo važni u elektrostatici, u praksi se koriste u brojnim izumima i uređajima. Upečatljiv primjer je gromobran. Uz njegovu pomoć, zgrade i električne instalacije su zaštićene od grmljavine, čime se sprječava požar i kvar opreme. Kada pada kiša s grmljavinom, na tlu se pojavljuje inducirani naboj velike veličine, oni se privlače prema oblaku. Ispada da se na površini zemlje pojavljuje veliko električno polje. U blizini vrha gromobrana ima veliku vrijednost, zbog čega se iz vrha (od zemlje, preko gromobrana do oblaka) zapali koronsko pražnjenje. Naboj iz zemlje privlači suprotni naboj oblaka, prema Coulombovu zakonu. Zrak je ioniziran, a jakost električnog polja se smanjuje blizu kraja gromobrana. Dakle, naboji se ne akumuliraju na zgradi, u tom slučaju je vjerojatnost udara groma mala. Ako dođe do udarca u zgradu, tada će kroz gromobran sva energija otići u zemlju.

U ozbiljnim znanstvenim istraživanjima koristi se najveća struktura 21. stoljeća – akcelerator čestica. U njemu električno polje obavlja posao povećanja energije čestice. Promatrajući ove procese s gledišta učinka skupine naboja na točkasti naboj, onda se svi odnosi zakona pokazuju istinitima.

Na kraju, preporučamo da pogledate video, koji pruža detaljno objašnjenje Coulombovog zakona:

Korisno na temu:

• Joule-Lenzov zakon
• Ovisnost otpora vodiča o temperaturi
• Gimbal pravila
• Ohmov zakon jednostavnim riječima