In de elektrostatica is een van de fundamentele wetten de wet van Coulomb. Het wordt in de natuurkunde gebruikt om de interactiekracht tussen twee stationaire puntladingen of de afstand daartussen te bepalen. Dit is een fundamentele natuurwet die niet afhankelijk is van andere wetten. Dan heeft de vorm van het echte lichaam geen invloed op de grootte van de krachten. In dit artikel zullen we in eenvoudige bewoordingen de wet van Coulomb en de toepassing ervan in de praktijk uitleggen.
Inhoud:
- ontdekkingsgeschiedenis
- De verwoording
- Coulomb's formule voor een diëlektrisch medium
- Hoe de krachten worden geleid
- Toepassing in de praktijk
ontdekkingsgeschiedenis
Sh.O. Hanger in 1785 voor het eerst experimenteel bewezen de interacties beschreven door de wet. In zijn experimenten gebruikte hij een speciale torsiebalans. Echter, in 1773 het werd bewezen door Cavendish, met behulp van het voorbeeld van een bolvormige condensator, dat er geen elektrisch veld in de bol is. Dit gaf aan dat de elektrostatische krachten veranderen afhankelijk van de afstand tussen de lichamen. Om precies te zijn, het kwadraat van de afstand. Toen werd zijn onderzoek niet gepubliceerd. Historisch gezien is deze ontdekking vernoemd naar Coulomb, dezelfde naam wordt ook gegeven aan de waarde waarin de lading wordt gemeten.
De verwoording
De definitie van de wet van Coulomb luidt: In een vacuüm F interactie van twee geladen lichamen is recht evenredig met het product van hun modules en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand ertussen.
Het klinkt kort, maar het is misschien niet voor iedereen duidelijk. In eenvoudige woorden: Hoe meer ladingslichamen hebben en hoe dichter ze bij elkaar zijn, hoe groter de kracht.
En vice versa: Als je de afstand tussen de ladingen vergroot, wordt de kracht kleiner.
De formule voor de Coulomb-regel ziet er als volgt uit:
Aanduiding van letters: q is de hoeveelheid lading, r is de afstand ertussen, k is de coëfficiënt, hangt af van het geselecteerde systeem van eenheden.
De waarde van de lading q kan voorwaardelijk positief of voorwaardelijk negatief zijn. Deze indeling is zeer arbitrair. Wanneer lichamen in contact komen, kan het van de een op de ander worden overgedragen. Hieruit volgt dat een en hetzelfde lichaam een lading kan hebben die verschillend is in grootte en teken. Een puntlading is een lading of een lichaam waarvan de afmetingen veel kleiner zijn dan de afstand van mogelijke interactie.
Houd er rekening mee dat de omgeving waarin de ladingen zich bevinden de F-interacties beïnvloedt. Aangezien het in lucht en in vacuüm bijna gelijk is, is de ontdekking van Coulomb alleen van toepassing op deze media, dit is een van de voorwaarden voor de toepassing van dit type formule. Zoals eerder vermeld, is in het SI-systeem de maateenheid voor lading Coulomb, afgekort Cl. Het karakteriseert de hoeveelheid elektriciteit per tijdseenheid. Afgeleid van basis SI-eenheden.
1 Cl = 1 A * 1 s
Opgemerkt moet worden dat de afmeting van 1 C overbodig is. Vanwege het feit dat de dragers elkaar afstoten, is het moeilijk om ze in een klein lichaam te houden, hoewel de stroom van 1A zelf klein is als deze in de geleider stroomt. Er vloeit bijvoorbeeld een stroom van 0,5 A in dezelfde gloeilamp van 100 W en meer dan 10 A in een elektrische verwarming. Zo'n kracht (1 C) is ongeveer gelijk aan die op een lichaam met een massa van 1 ton vanaf de zijkant van de aardbol.
Het is je misschien opgevallen dat de formule praktisch hetzelfde is als in de zwaartekrachtinteractie, alleen als er massa's verschijnen in de Newtoniaanse mechanica, dan verschijnen er ladingen in de elektrostatica.
Coulomb's formule voor een diëlektrisch medium
De coëfficiënt die rekening houdt met de waarden van het SI-systeem wordt bepaald in N2* m2/Кл2. Het is gelijk aan:
In veel leerboeken is deze coëfficiënt te vinden in de vorm van een breuk:
Hier E0= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 is een elektrische constante. Voor een diëlektricum wordt E toegevoegd - de diëlektrische constante van het medium, waarna de wet van Coulomb kan worden gebruikt om de interactiekrachten van ladingen voor een vacuüm en een medium te berekenen.
Rekening houdend met de invloed van het diëlektricum, heeft het de vorm:
Vanaf hier zien we dat de introductie van een diëlektricum tussen de lichamen de kracht F vermindert.
Hoe de krachten worden geleid
Ladingen interageren met elkaar afhankelijk van hun polariteit - dezelfde stoten af, en in tegenstelling tot (tegenovergestelde) trekken elkaar aan.
Dit is trouwens het belangrijkste verschil met een vergelijkbare wet van zwaartekrachtinteractie, waarbij lichamen altijd worden aangetrokken. De krachten zijn gericht langs de lijn die ertussen wordt getrokken, de straalvector genoemd. In de natuurkunde, aangeduid als r12 en als een straalvector van de eerste naar de tweede lading en vice versa. De krachten zijn gericht vanuit het centrum van de lading naar de tegenovergestelde lading langs deze lijn, als de ladingen tegengesteld zijn, en in de tegenovergestelde richting, als ze dezelfde naam hebben (twee positieve of twee negatieve). In vectorvorm:
De kracht die wordt uitgeoefend op de eerste lading vanaf de zijkant van de tweede wordt aangeduid als F12. In vectorvorm ziet de wet van Coulomb er dan als volgt uit:
Om de kracht te bepalen die op de tweede lading wordt uitgeoefend, wordt de notatie F21 en R21.
Als het lichaam een complexe vorm heeft en het is groot genoeg om op een bepaalde afstand niet als een puntlading te worden beschouwd, dan wordt het in kleine secties verdeeld en wordt elke sectie als een puntlading beschouwd. Na geometrische optelling van alle resulterende vectoren, wordt de resulterende kracht verkregen. Atomen en moleculen interageren met elkaar volgens dezelfde wet.
Toepassing in de praktijk
De werken van Coulomb zijn erg belangrijk in de elektrostatica; in de praktijk worden ze gebruikt in een aantal uitvindingen en apparaten. Een treffend voorbeeld is een bliksemafleider. Met zijn hulp worden gebouwen en elektrische installaties beschermd tegen onweer, waardoor brand en uitval van apparatuur worden voorkomen. Wanneer het regent met een onweersbui, verschijnt er een geïnduceerde lading van grote omvang op de grond, ze worden aangetrokken door de wolk. Het blijkt dat er een groot elektrisch veld op het aardoppervlak verschijnt. Nabij de punt van de bliksemafleider heeft deze een grote waarde, waardoor vanaf de punt (vanaf de grond, via de bliksemafleider naar de wolk) een corona-ontlading wordt ontstoken. De lading van de aarde wordt aangetrokken door de tegenovergestelde lading van de wolk, volgens de wet van Coulomb. De lucht wordt geïoniseerd en de elektrische veldsterkte neemt af aan het einde van de bliksemafleider. De ladingen stapelen zich dus niet op op het gebouw, waardoor de kans op blikseminslag klein is. Als er een klap op het gebouw plaatsvindt, gaat alle energie via de bliksemafleider de grond in.
Bij serieus wetenschappelijk onderzoek wordt de grootste structuur van de 21e eeuw gebruikt: de deeltjesversneller. Daarin doet het elektrische veld het werk om de energie van het deeltje te verhogen. Als we deze processen beschouwen vanuit het oogpunt van het effect op een puntlading door een groep ladingen, dan blijken alle verbanden van de wet waar te zijn.
Ten slotte raden we aan om de video te bekijken, die een gedetailleerde uitleg van de wet van Coulomb geeft:
Handig over het onderwerp:
- Wet van Joule-Lenz
- De afhankelijkheid van de weerstand van de geleider op temperatuur
- Gimbal regels
- De wet van Ohm in eenvoudige woorden