Hukum Coulomb: rumus, definisi, aplikasi dalam praktik

Dalam elektrostatika, salah satu hukum dasar adalah hukum Coulomb. Ini digunakan dalam fisika untuk menentukan gaya interaksi antara dua muatan titik stasioner atau jarak di antara mereka. Ini adalah hukum alam dasar yang tidak bergantung pada hukum lainnya. Maka bentuk benda nyata tidak mempengaruhi besarnya gaya. Pada artikel ini, kami akan menjelaskan secara sederhana hukum Coulomb dan penerapannya dalam praktik.

Sejarah penemuan

S.O. Liontin tahun 1785 untuk pertama kalinya secara eksperimental membuktikan interaksi yang dijelaskan oleh hukum. Dalam eksperimennya, ia menggunakan keseimbangan torsi khusus. Namun, pada tahun 1773 dibuktikan oleh Cavendish, dengan menggunakan contoh kapasitor bola, bahwa tidak ada medan listrik di dalam bola. Ini menunjukkan bahwa gaya elektrostatik berubah tergantung pada jarak antara tubuh. Lebih tepatnya, kuadrat jarak. Kemudian penelitiannya tidak dipublikasikan. Secara historis, penemuan ini dinamai Coulomb, nama yang sama juga diberikan untuk nilai di mana muatan diukur.

Kata-katanya

Definisi hukum Coulomb berbunyi: Dalam ruang hampa Interaksi F dari dua benda bermuatan berbanding lurus dengan produk modulnya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.

Kedengarannya singkat, tetapi mungkin tidak jelas bagi semua orang. Dengan kata sederhana: Semakin banyak muatan yang dimiliki benda dan semakin dekat satu sama lain, semakin besar kekuatannya.

Dan sebaliknya: Jika Anda meningkatkan jarak antara muatan, gaya akan menjadi lebih kecil.

Rumus untuk aturan Coulomb terlihat seperti ini:

Penunjukan huruf: q adalah jumlah muatan, r adalah jarak antara mereka, k adalah koefisien, tergantung pada sistem satuan yang dipilih.

Nilai muatan q dapat bersyarat positif atau bersyarat negatif. Pembagian ini sangat sewenang-wenang. Ketika tubuh bersentuhan, itu dapat ditularkan dari satu ke yang lain. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa satu dan benda yang sama dapat memiliki muatan yang berbeda besar dan tandanya. Muatan titik adalah muatan atau benda yang dimensinya jauh lebih kecil dari jarak interaksi yang mungkin.

Harus diingat bahwa lingkungan di mana muatan berada mempengaruhi interaksi F. Karena hampir sama di udara dan di ruang hampa, penemuan Coulomb hanya berlaku untuk media ini, ini adalah salah satu syarat untuk penerapan jenis formula ini. Seperti yang telah disebutkan, dalam sistem SI, satuan ukuran untuk muatan adalah Coulomb, disingkat Cl. Ini mencirikan jumlah listrik per satuan waktu. Berasal dari satuan SI dasar.

1 Cl = 1 A * 1 s

Perlu dicatat bahwa dimensi 1 C adalah berlebihan. Karena fakta bahwa pembawa saling tolak, sulit untuk menyimpannya dalam tubuh kecil, meskipun arus 1A itu sendiri kecil jika mengalir di konduktor. Misalnya, dalam lampu pijar 100 W yang sama, arus 0,5 A mengalir, dan dalam pemanas listrik, lebih dari 10 A. Gaya seperti itu (1 C) kira-kira sama dengan gaya yang bekerja pada benda bermassa 1 ton dari sisi bola.

Anda mungkin telah memperhatikan bahwa rumusnya praktis sama dengan interaksi gravitasi, hanya jika massa muncul dalam mekanika Newton, maka muatan muncul dalam elektrostatika.

Rumus Coulomb untuk medium dielektrik

Koefisien dengan mempertimbangkan nilai sistem SI ditentukan dalam N²* M²/Кл². Ini sama dengan:

Di banyak buku teks, koefisien ini dapat ditemukan dalam bentuk pecahan:

Di sini E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 adalah konstanta listrik. Untuk dielektrik, E ditambahkan - konstanta dielektrik medium, maka hukum Coulomb dapat digunakan untuk menghitung gaya interaksi muatan untuk ruang hampa dan medium.

Mempertimbangkan pengaruh dielektrik, ia memiliki bentuk:

Dari sini kita melihat bahwa pengenalan dielektrik antara benda mengurangi gaya F.

Bagaimana kekuatan diarahkan

Muatan berinteraksi satu sama lain tergantung pada polaritasnya - yang sama tolak-menolak, dan yang berlawanan (berlawanan) tarik-menarik.

Omong-omong, ini adalah perbedaan utama dari hukum interaksi gravitasi yang serupa, di mana benda selalu tertarik. Gaya diarahkan sepanjang garis yang ditarik di antara mereka, yang disebut vektor jari-jari. Dalam fisika, dilambangkan sebagai r₁₂ dan sebagai vektor radius dari muatan pertama ke muatan kedua dan sebaliknya. Gaya-gaya diarahkan dari pusat muatan ke muatan yang berlawanan di sepanjang garis ini, jika muatan-muatan itu berlawanan, dan ke arah yang berlawanan, jika mereka memiliki nama yang sama (dua positif atau dua negatif). Dalam bentuk vektor:

Gaya yang diterapkan pada muatan pertama dari sisi muatan kedua dilambangkan sebagai F_12. Kemudian, dalam bentuk vektor, hukum Coulomb terlihat seperti ini:

Untuk menentukan gaya yang diterapkan pada muatan kedua, notasi F₂₁ dan R₂₁.

Jika benda memiliki bentuk yang kompleks dan cukup besar sehingga pada jarak tertentu tidak dapat dianggap sebagai muatan titik, maka ia dibagi menjadi bagian-bagian kecil dan setiap bagian dianggap sebagai muatan titik. Setelah penambahan geometris dari semua vektor yang dihasilkan, gaya yang dihasilkan diperoleh. Atom dan molekul berinteraksi satu sama lain menurut hukum yang sama.

Aplikasi dalam praktik

Karya Coulomb sangat penting dalam elektrostatika; dalam praktiknya, mereka digunakan dalam sejumlah penemuan dan perangkat. Contoh mencolok adalah penangkal petir. Dengan bantuannya, bangunan dan instalasi listrik dilindungi dari badai petir, sehingga mencegah kebakaran dan kegagalan peralatan. Ketika hujan disertai badai petir, muatan induksi dengan magnitudo besar muncul di tanah, mereka tertarik ke arah awan. Ternyata medan listrik besar muncul di permukaan bumi. Di dekat ujung penangkal petir, ia memiliki nilai yang besar, akibatnya pelepasan korona dinyalakan dari ujungnya (dari tanah, melalui penangkal petir ke awan). Muatan dari bumi tertarik ke muatan berlawanan dari awan, menurut hukum Coulomb. Udara terionisasi, dan kekuatan medan listrik berkurang di dekat ujung penangkal petir. Dengan demikian, muatan tidak menumpuk di gedung, dalam hal ini kemungkinan sambaran petir kecil. Jika terjadi hantaman pada bangunan, maka melalui penangkal petir seluruh energi akan masuk ke dalam tanah.

Dalam penelitian ilmiah yang serius, struktur terbesar abad ke-21 digunakan - akselerator partikel. Di dalamnya, medan listrik melakukan pekerjaan untuk meningkatkan energi partikel. Mempertimbangkan proses-proses ini dari sudut pandang efek pada muatan titik oleh sekelompok muatan, maka semua hubungan hukum menjadi benar.

Akhirnya, kami sarankan menonton video, yang memberikan penjelasan rinci tentang Hukum Coulomb:

Berguna pada topik:

• Hukum Joule-Lenz
• Ketergantungan resistansi konduktor pada suhu
• Aturan Gimp
• Hukum Ohm dengan kata-kata sederhana