Az elektrosztatikában az egyik alaptörvény a Coulomb-törvény. A fizikában két állóponti töltés közötti kölcsönhatási erő vagy a köztük lévő távolság meghatározására használják. Ez a természet alapvető törvénye, amely nem függ semmilyen más törvénytől. Ekkor a valódi test alakja nem befolyásolja az erők nagyságát. Ebben a cikkben egyszerűen elmagyarázzuk a Coulomb-törvényt és annak gyakorlati alkalmazását.
Tartalom:
- A felfedezés története
- A megfogalmazás
- Coulomb-képlet dielektromos közeghez
- Hogyan irányulnak az erők
- Alkalmazás a gyakorlatban
A felfedezés története
Sh.O. Medál 1785-ben először kísérletileg bizonyította a törvény által leírt kölcsönhatásokat. Kísérleteiben speciális torziós mérleget használt. Azonban még 1773-ban Cavendish egy gömbkondenzátor példáján bebizonyította, hogy a gömb belsejében nincs elektromos tér. Ez azt jelzi, hogy az elektrosztatikus erők a testek közötti távolság függvényében változnak. Pontosabban a távolság négyzete. Aztán kutatását nem publikálták. Történelmileg ezt a felfedezést Coulombról nevezték el, ugyanezt a nevet kapta az az érték is, amelyben a töltést mérik.
A megfogalmazás
A Coulomb-törvény meghatározása a következő: Vákuumban Két töltött test F kölcsönhatása egyenesen arányos moduljaik szorzatával, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével.
Röviden hangzik, de lehet, hogy nem mindenki számára egyértelmű. Egyszerű szavakkal: Minél nagyobb a töltésük a testeknek és minél közelebb vannak egymáshoz, annál nagyobb az erő.
És fordítva: Ha növeli a töltések közötti távolságot, az erő kisebb lesz.
A Coulomb-szabály képlete így néz ki:
Betűk jelölése: q a töltés mértéke, r a köztük lévő távolság, k együttható, a kiválasztott mértékegységrendszertől függ.
A q töltés értéke lehet feltételesen pozitív vagy feltételesen negatív. Ez a felosztás nagyon önkényes. Amikor a testek érintkeznek, az egyikről a másikra terjedhet. Ebből következik, hogy egy és ugyanazon testnek különböző nagyságú és előjelű töltése lehet. A ponttöltés olyan töltés vagy test, amelynek méretei sokkal kisebbek, mint a lehetséges kölcsönhatás távolsága.
Szem előtt kell tartani, hogy a környezet, amelyben a töltések találhatók, befolyásolja az F kölcsönhatásokat. Mivel levegőben és vákuumban majdnem egyenlő, a Coulomb-féle felfedezés csak ezekre a közegekre vonatkozik, ez az egyik feltétele az ilyen típusú képlet alkalmazásának. Mint már említettük, az SI rendszerben a töltés mértékegysége Coulomb, rövidítve Cl. Az időegységre jutó villamos energia mennyiségét jellemzi. SI alapegységekből származik.
1 Cl = 1 A * 1 s
Megjegyzendő, hogy az 1 C méret redundáns. Tekintettel arra, hogy a hordozók taszítják egymást, nehéz kis testben tartani őket, bár maga az 1A áram kicsi, ha a vezetőben folyik. Például ugyanabban a 100 W-os izzólámpában 0,5 A áram folyik, egy elektromos fűtőberendezésben pedig több mint 10 A. Egy ilyen erő (1 C) megközelítőleg egyenlő azzal, amely a földgömb oldaláról 1 tonna tömegű testre hat.
Talán észrevette, hogy a képlet gyakorlatilag ugyanaz, mint a gravitációs kölcsönhatásban, csak ha tömegek jelennek meg a newtoni mechanikában, akkor töltések jelennek meg az elektrosztatikában.
Coulomb-képlet dielektromos közeghez
Az SI-rendszer értékeit figyelembe vevő együtthatót N-ben határozzuk meg2* m2/Кл2. Ez egyenlő:
Sok tankönyvben ez az együttható tört formájában található:
Itt E0= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 elektromos állandó. Egy dielektrikumhoz hozzáadjuk az E-t - a közeg dielektromos állandóját, majd a Coulomb-törvény segítségével kiszámítható a töltések kölcsönhatási erői vákuum és közeg esetén.
A dielektrikum hatását figyelembe véve a következő alakja van:
Innen látjuk, hogy a testek közé dielektrikum bevezetése csökkenti az F erőt.
Hogyan irányulnak az erők
A töltések polaritásuktól függően kölcsönhatásba lépnek egymással - ugyanazok taszítják, és az ellentétesek (ellentétesek) vonzzák.
Egyébként ez a fő különbség a gravitációs kölcsönhatás hasonló törvényétől, ahol a testek mindig vonzódnak. Az erők a közéjük húzott vonal mentén irányulnak, amelyet sugárvektornak nevezünk. A fizikában r-ként jelölik12 és sugárvektorként az elsőtől a második töltésig és fordítva. Az erők ezen az egyenesen a töltés középpontjából az ellentétes töltés felé irányulnak, ha a töltések ellentétesek, és ellenkező irányba, ha azonos nevűek (két pozitív vagy két negatív). Vektoros formában:
Az első töltetre a második oldaláról kifejtett erőt F-vel jelöljük12. Ekkor vektor formában a Coulomb-törvény így néz ki:
A második töltésre kifejtett erő meghatározásához az F jelölést21 és R21.
Ha a testnek összetett alakja van, és elég nagy ahhoz, hogy egy adott távolságon ne tekintsük ponttöltésnek, akkor kis szakaszokra osztjuk, és minden szakaszt ponttöltésnek tekintünk. Az összes kapott vektor geometriai összeadása után megkapjuk a kapott erőt. Az atomok és molekulák ugyanazon törvény szerint kölcsönhatásba lépnek egymással.
Alkalmazás a gyakorlatban
Coulomb munkái nagyon fontosak az elektrosztatikában, a gyakorlatban számos találmányban és eszközben alkalmazzák őket. Feltűnő példa a villámhárító. Segítségével megvédik az épületeket és az elektromos berendezéseket a zivataroktól, megelőzve ezzel a tüzet és a berendezések meghibásodását. Amikor zivatarral esik az eső, nagyméretű indukált töltés jelenik meg a talajon, a felhő felé vonzza őket. Kiderült, hogy egy nagy elektromos mező jelenik meg a föld felszínén. A villámhárító hegye közelében nagy értékű, aminek következtében a csúcsról (a földről, a villámhárítón keresztül a felhőbe) koronakisülés gyullad ki. A Föld töltése a Coulomb-törvény szerint a felhő ellentétes töltéséhez vonzódik. A levegő ionizálódik, és az elektromos térerősség a villámhárító vége felé csökken. Így a töltések nem halmozódnak fel az épületen, ilyenkor kicsi a villámcsapás valószínűsége. Ha ütés éri az épületet, akkor a villámhárítón keresztül az összes energia a földbe kerül.
A komoly tudományos kutatások során a 21. század legnagyobb szerkezetét használják - a részecskegyorsítót. Ebben az elektromos tér végzi azt a munkát, hogy növelje a részecske energiáját. Ha ezeket a folyamatokat egy töltéscsoport ponttöltésre gyakorolt hatása szempontjából tekintjük, akkor a törvény összes összefüggése igaznak bizonyul.
Végül javasoljuk, hogy nézze meg a videót, amely részletesen ismerteti a Coulomb-törvényt:
Hasznos a témában:
- Joule-Lenz törvény
- A vezető ellenállásának a hőmérséklettől való függése
- Gimp szabályok
- Ohm törvénye egyszerű szavakkal
