חוק קולומב: נוסחה, הגדרה, יישום בפועל

באלקטרוסטטיקה, אחד מחוקי היסוד הוא חוק קולומב. הוא משמש בפיזיקה כדי לקבוע את כוח האינטראקציה בין שני מטענים נקודתיים נייחים או את המרחק ביניהם. זהו חוק טבע יסודי שאינו תלוי בשום חוק אחר. אז צורת הגוף האמיתי אינה משפיעה על גודל הכוחות. במאמר זה נסביר במילים פשוטות את חוק קולומב ואת יישומו בפועל.

היסטוריית גילוי

ש.או. תליון בשנת 1785 בפעם הראשונה הוכיח ניסיוני את האינטראקציות המתוארות בחוק. בניסויים שלו, הוא השתמש במאזן פיתול מיוחד. עם זאת, עוד בשנת 1773 הוכח על ידי קוונדיש, תוך שימוש בדוגמה של קבל כדורי, שאין שדה חשמלי בתוך הכדור. זה הצביע על כך שהכוחות האלקטרוסטטיים משתנים בהתאם למרחק בין הגופים. ליתר דיוק, ריבוע המרחק. אז המחקר שלו לא פורסם. מבחינה היסטורית, תגלית זו נקראה על שם קולומב, אותו שם ניתן גם לערך בו נמדד המטען.

הניסוח

ההגדרה של חוק קולומב אומרת: בוואקום אינטראקציה F של שני גופים טעונים עומדת ביחס ישר למכפלת המודולים שלהם ובפרופורציה הפוכה לריבוע המרחק ביניהם.

זה נשמע קצר, אבל זה אולי לא ברור לכולם. במילים פשוטות: ככל שיש יותר מטען לגופים וככל שהם קרובים יותר זה לזה, כך הכוח גדול יותר.

ולהיפך: אם תגדיל את המרחק בין המטענים, הכוח יפחת.

הנוסחה של כלל קולומב נראית כך:

ייעוד האותיות: q הוא כמות המטען, r הוא המרחק ביניהן, k הוא המקדם, תלוי במערכת היחידות שנבחרה.

הערך של המטען q יכול להיות חיובי מותנה או שלילי מותנה. החלוקה הזו היא מאוד שרירותית. כאשר גופים באים במגע, זה יכול להיות מועבר מאחד לשני. מכאן נובע שלגוף אחד ואחד יכול להיות מטען שונה בגודל ובסימן. מטען נקודתי הוא מטען או גוף שמידותיו קטנות בהרבה ממרחק האינטראקציה האפשרית.

יש לזכור כי הסביבה בה נמצאים המטענים משפיעה על אינטראקציות F. מכיוון שהוא כמעט שווה באוויר ובוואקום, התגלית של קולומב חלה רק על מדיה אלו, זהו אחד התנאים ליישום נוסחאות מסוג זה. כפי שכבר הוזכר, במערכת SI, יחידת המידה למטען היא קולומב, בקיצור Cl. הוא מאפיין את כמות החשמל ליחידת זמן. נגזר מיחידות SI בסיסיות.

1 Cl = 1 A * 1 s

יש לציין שהמימד של 1 C מיותר. בשל העובדה שהנשאים דוחים זה את זה, קשה לשמור אותם בגוף קטן, למרות שהזרם של 1A עצמו קטן אם הוא זורם במוליך. לדוגמה, באותה מנורת ליבון של 100 W זורם זרם של 0.5 A ובמחמם חשמלי יותר מ-10 A. כוח כזה (1 C) שווה בקירוב לזה הפועל על גוף עם מסה של 1 טון מצד כדור הארץ.

אולי שמתם לב שהנוסחה כמעט זהה לאינטראקציה הגרביטציונית, רק אם מסות מופיעות במכניקה הניוטונית, אז מטענים מופיעים באלקטרוסטטיקה.

הנוסחה של קולומב למדיום דיאלקטרי

המקדם תוך התחשבות בערכי מערכת SI נקבע ב-N²* M²/Кл². זה שווה ל:

בספרי לימוד רבים ניתן למצוא מקדם זה בצורה של שבר:

כאן E₀= 8.85 * 10-12 Cl2 / N * m2 הוא קבוע חשמלי. עבור דיאלקטרי, מתווסף E - הקבוע הדיאלקטרי של המדיום, ואז ניתן להשתמש בחוק קולומב כדי לחשב את כוחות האינטראקציה של מטענים עבור ואקום ותווך.

בהתחשב בהשפעת הדיאלקטרי, יש לו את הצורה:

מכאן אנו רואים שהכנסת דיאלקטרי בין הגופים מפחיתה את הכוח F.

איך מכוונים את הכוחות

מטענים מקיימים אינטראקציה זה עם זה בהתאם לקוטביות שלהם - אותם אלה דוחים, והמנוגדים (המנוגדים) מושכים.

אגב, זה ההבדל העיקרי מחוק דומה של אינטראקציה גרביטציונית, שבו גופים נמשכים תמיד. הכוחות מכוונים לאורך הקו המצויר ביניהם, הנקרא וקטור הרדיוס. בפיזיקה, מסומן כ-r₁₂ וכווקטור רדיוס מהמטען הראשון לשני ולהיפך. הכוחות מופנים ממרכז המטען אל המטען ההפוך לאורך קו זה, אם המטענים מנוגדים, ובכיוון ההפוך, אם הם בעלי אותו שם (שניים חיוביים או שניים שליליים). בצורה וקטורית:

הכוח המופעל על המטען הראשון מהצד של השני מסומן כ-F_12. ואז, בצורה וקטורית, חוק קולומב נראה כך:

כדי לקבוע את הכוח המופעל על המטען השני, הסימן F₂₁ ור₂₁.

אם לגוף יש צורה מורכבת והוא מספיק גדול שבמרחק נתון הוא לא יכול להיחשב כמטען נקודתי, אז הוא מחולק למקטעים קטנים וכל קטע נחשב כמטען נקודתי. לאחר תוספת גיאומטרית של כל הוקטורים המתקבלים, מתקבל הכוח המתקבל. אטומים ומולקולות מתקשרים זה עם זה על פי אותו חוק.

יישום בפועל

העבודות של קולומב חשובות מאוד באלקטרוסטטיקה; בפועל, הן משמשות במספר המצאות והתקנים. דוגמה בולטת היא מטה ברק. בעזרתו, מבנים ומתקנים חשמליים מוגנים מפני סופות רעמים ובכך מונעים שריפה וכשל בציוד. כאשר יורד גשם עם סופת רעמים, מופיע מטען מושרה בגודל גדול על הקרקע, הם נמשכים לעבר הענן. מסתבר ששדה חשמלי גדול מופיע על פני כדור הארץ. בסמוך לקצה מטה הברק יש לו ערך גדול, וכתוצאה מכך נדלקת פריקת קורונה מהקצה (מהקרקע, דרך מטה הברק לענן). המטען מכדור הארץ נמשך למטען ההפוך של הענן, לפי חוק קולומב. האוויר מיונן, ועוצמת השדה החשמלי פוחתת בסמוך לקצה מטה הברקים. לפיכך, המטענים אינם מצטברים על הבניין, ובמקרה זה הסבירות לפגיעת ברק קטנה. אם מתרחשת מכה בבניין, אז דרך מטה הברקים כל האנרגיה תיכנס לאדמה.

במחקר מדעי רציני נעשה שימוש במבנה הגדול ביותר של המאה ה-21 - מאיץ החלקיקים. בו, השדה החשמלי עושה את העבודה כדי להגדיל את האנרגיה של החלקיק. בהתחשב בתהליכים אלו מנקודת המבט של ההשפעה על מטען נקודתי על ידי קבוצת מטענים, אזי כל יחסי החוק מתגלים כנכונים.

לבסוף, אנו ממליצים לצפות בסרטון, המספק הסבר מפורט על חוק קולומב:

שימושי בנושא:

• חוק ג'ול-לנץ
• התלות של ההתנגדות של המוליך בטמפרטורה
• חוקי גימפ
• חוק אוהם במילים פשוטות