In elettrostatica, una delle leggi fondamentali è la legge di Coulomb. Viene utilizzato in fisica per determinare la forza di interazione tra due cariche puntiformi stazionarie o la distanza tra loro. Questa è una legge fondamentale della natura che non dipende da altre leggi. Quindi la forma del corpo reale non influenza l'entità delle forze. In questo articolo spiegheremo in termini semplici la legge di Coulomb e la sua applicazione pratica.
Contenuto:
- Storia della scoperta
- La formulazione
- Formula di Coulomb per un mezzo dielettrico
- Come sono dirette le forze
- Applicazione in pratica
Storia della scoperta
Sh.O. Ciondolo nel 1785 per la prima volta hanno dimostrato sperimentalmente le interazioni descritte dalla legge. Nei suoi esperimenti, ha usato una speciale bilancia di torsione. Tuttavia, nel 1773 è stato dimostrato da Cavendish, usando l'esempio di un condensatore sferico, che non c'è campo elettrico all'interno della sfera. Ciò indicava che le forze elettrostatiche cambiano a seconda della distanza tra i corpi. Più precisamente, il quadrato della distanza. Quindi la sua ricerca non è stata pubblicata. Storicamente questa scoperta prende il nome da Coulomb, lo stesso nome è dato anche al valore in cui viene misurata la carica.
La formulazione
La definizione della legge di Coulomb recita: Nel vuoto L'interazione F di due corpi carichi è direttamente proporzionale al prodotto dei loro moduli e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.
Sembra breve, ma potrebbe non essere chiaro a tutti. In parole semplici: Più carica hanno i corpi e più sono vicini l'uno all'altro, maggiore è la forza.
E viceversa: Se aumenti la distanza tra le cariche, la forza diminuirà.
La formula per la regola di Coulomb è simile a questa:
Designazione delle lettere: q è la quantità di carica, r è la distanza tra loro, k è il coefficiente, dipende dal sistema di unità selezionato.
Il valore della carica q può essere condizionatamente positivo o condizionatamente negativo. Questa divisione è molto arbitraria. Quando i corpi entrano in contatto, possono essere trasmessi dall'uno all'altro. Ne segue che uno stesso corpo può avere una carica diversa per grandezza e segno. Una carica puntiforme è una carica o un corpo le cui dimensioni sono molto più piccole della distanza di possibile interazione.
Va tenuto presente che l'ambiente in cui si trovano le cariche influenza le interazioni F. Poiché è quasi uguale nell'aria e nel vuoto, la scoperta di Coulomb è applicabile solo a questi mezzi, questa è una delle condizioni per l'applicazione di questo tipo di formula. Come già accennato, nel sistema SI, l'unità di misura della carica è il Coulomb, abbreviato Cl. Caratterizza la quantità di elettricità per unità di tempo. Derivato dalle unità SI di base.
1 Cl = 1 A * 1 s
Va notato che la dimensione di 1 C è ridondante. A causa del fatto che i vettori si respingono, è difficile tenerli in un corpo piccolo, sebbene la corrente di 1A stessa sia piccola se scorre nel conduttore. Ad esempio, nella stessa lampada a incandescenza da 100 W, scorre una corrente di 0,5 A e in un riscaldatore elettrico, più di 10 A. Tale forza (1 C) è approssimativamente uguale a quella che agisce su un corpo con una massa di 1 tonnellata dal lato del globo.
Potresti aver notato che la formula è praticamente la stessa dell'interazione gravitazionale, solo se le masse appaiono nella meccanica newtoniana, quindi le cariche compaiono nell'elettrostatica.
Formula di Coulomb per un mezzo dielettrico
Il coefficiente che tiene conto dei valori del sistema SI è determinato in N2* m2/Кл2. È uguale a:
In molti libri di testo, questo coefficiente può essere trovato sotto forma di frazione:
qui E0= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 è una costante elettrica. Per un dielettrico, viene aggiunta E - la costante dielettrica del mezzo, quindi la legge di Coulomb può essere utilizzata per calcolare le forze di interazione delle cariche per un vuoto e un mezzo.
Tenendo conto dell'influenza del dielettrico, ha la forma:
Da qui si vede che l'introduzione di un dielettrico tra i corpi riduce la forza F.
Come sono dirette le forze
Le cariche interagiscono tra loro a seconda della loro polarità: le stesse si respingono e quelle opposte (opposte) si attraggono.
A proposito, questa è la principale differenza da una simile legge di interazione gravitazionale, in cui i corpi sono sempre attratti. Le forze sono dirette lungo la linea tracciata tra di esse, chiamata raggio vettore. In fisica, indicato come r12 e come raggio vettore dalla prima alla seconda carica e viceversa. Le forze sono dirette dal centro della carica alla carica opposta lungo questa linea, se le cariche sono opposte, e nella direzione opposta, se hanno lo stesso nome (due positive o due negative). In forma vettoriale:
La forza applicata alla prima carica dal lato della seconda è indicata come F12. Quindi, in forma vettoriale, la legge di Coulomb si presenta così:
Per determinare la forza applicata alla seconda carica, la notazione F21 e R21.
Se il corpo ha una forma complessa ed è abbastanza grande da non poter essere considerato ad una data distanza una carica puntiforme, allora viene diviso in piccole sezioni e ogni sezione è considerata una carica puntiforme. Dopo l'aggiunta geometrica di tutti i vettori risultanti, si ottiene la forza risultante. Atomi e molecole interagiscono tra loro secondo la stessa legge.
Applicazione in pratica
Le opere di Coulomb sono molto importanti nell'elettrostatica; in pratica, sono utilizzate in una serie di invenzioni e dispositivi. Un esempio lampante è un parafulmine. Con il suo aiuto, gli edifici e gli impianti elettrici sono protetti dai temporali, prevenendo così incendi e guasti alle apparecchiature. Quando piove con un temporale, sul terreno appare una carica indotta di grande magnitudo, sono attratti verso la nuvola. Si scopre che un grande campo elettrico appare sulla superficie della terra. Vicino alla punta del parafulmine, ha un valore grande, a seguito del quale viene innescata una scarica a corona dalla punta (dal suolo, attraverso il parafulmine alla nuvola). La carica della terra è attratta dalla carica opposta della nuvola, secondo la legge di Coulomb. L'aria è ionizzata e l'intensità del campo elettrico diminuisce vicino all'estremità del parafulmine. Pertanto, le cariche non si accumulano sull'edificio, nel qual caso la probabilità di un fulmine è bassa. Se si verifica un colpo all'edificio, attraverso il parafulmine tutta l'energia andrà nel terreno.
Nella ricerca scientifica seria, viene utilizzata la più grande struttura del 21 ° secolo: l'acceleratore di particelle. In esso, il campo elettrico fa il lavoro per aumentare l'energia della particella. Considerando questi processi dal punto di vista dell'effetto su una carica puntiforme da parte di un gruppo di cariche, allora tutte le relazioni della legge risultano vere.
Infine, consigliamo di guardare il video, che fornisce una spiegazione dettagliata della Legge di Coulomb:
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