Coulombs lov: formel, definisjon, anvendelse i praksis

I elektrostatikk er en av de grunnleggende lovene Coulombs lov. Det brukes i fysikk for å bestemme kraften i samspillet mellom to stasjonære punktladninger eller avstanden mellom dem. Dette er en grunnleggende naturlov som ikke er avhengig av noen andre lover. Da påvirker ikke formen på den virkelige kroppen størrelsen på kreftene. I denne artikkelen vil vi på en enkel måte forklare Coulombs lov og dens anvendelse i praksis.

Oppdagelseshistorie

Sh.O. Anheng i 1785 for første gang eksperimentelt bevist interaksjonene beskrevet av loven. I sine eksperimenter brukte han en spesiell torsjonsbalanse. Imidlertid tilbake i 1773 det ble bevist av Cavendish, ved å bruke eksemplet med en sfærisk kondensator, at det ikke er noe elektrisk felt inne i sfæren. Dette indikerte at de elektrostatiske kreftene endres avhengig av avstanden mellom kroppene. Mer presist kvadratet på avstanden. Da ble ikke forskningen hans publisert. Historisk sett ble denne oppdagelsen oppkalt etter Coulomb, samme navn er også gitt til verdien som ladningen er målt i.

Ordlyden

Definisjonen av Coulombs lov lyder: I et vakuum F-interaksjonen mellom to ladede legemer er direkte proporsjonal med produktet av modulene deres og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem.

Det høres kort ut, men det er kanskje ikke klart for alle. Med enkle ord: Jo mer ladning kroppene har og jo nærmere de er hverandre, jo større kraft.

Og vice versa: Øker du avstanden mellom ladningene vil kraften bli mindre.

Formelen for Coulomb-regelen ser slik ut:

Betegnelse på bokstaver: q er mengden ladning, r er avstanden mellom dem, k er koeffisienten, avhenger av det valgte enhetssystemet.

Verdien av ladningen q kan være betinget positiv eller betinget negativ. Denne inndelingen er veldig vilkårlig. Når kropper kommer i kontakt, kan det overføres fra en til en annen. Derfor følger det at en og samme kropp kan ha en ladning forskjellig i størrelse og fortegn. En punktladning er en ladning eller et legeme hvis dimensjoner er mye mindre enn avstanden til mulig interaksjon.

Man bør huske på at miljøet som ladningene befinner seg i påvirker F-interaksjonene. Siden det er nesten likt i luft og i vakuum, er Coulombs oppdagelse gjeldende kun for disse mediene, dette er en av betingelsene for anvendelse av denne typen formel. Som allerede nevnt, i SI-systemet er måleenheten for ladning Coulomb, forkortet Cl. Den karakteriserer mengden elektrisitet per tidsenhet. Avledet fra base SI-enheter.

1 Cl = 1 A * 1 s

Det skal bemerkes at dimensjonen på 1 C er overflødig. På grunn av det faktum at bærerne frastøter hverandre, er det vanskelig å holde dem i en liten kropp, selv om strømmen til 1A selv er liten hvis den strømmer i lederen. For eksempel, i den samme 100 W glødelampen, strømmer en strøm på 0,5 A, og i en elektrisk varmeovn, mer enn 10 A. En slik kraft (1 C) er omtrent lik den som virker på et legeme med en masse på 1 tonn fra siden av kloden.

Du har kanskje lagt merke til at formelen er praktisk talt den samme som i gravitasjonsinteraksjonen, bare hvis masser vises i newtonsk mekanikk, så oppstår ladninger i elektrostatikk.

Coulombs formel for et dielektrisk medium

Koeffisienten som tar hensyn til verdiene til SI-systemet, bestemmes i N²* m²/Кл². Det er lik:

I mange lærebøker kan denne koeffisienten finnes i form av en brøk:

Her E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 er en elektrisk konstant. For et dielektrikum legges E til - den dielektriske konstanten til mediet, så kan Coulombs lov brukes til å beregne kreftene for interaksjon av ladninger for et vakuum og et medium.

Tatt i betraktning påvirkningen av dielektrikumet, har det formen:

Herfra ser vi at innføringen av et dielektrikum mellom kroppene reduserer kraften F.

Hvordan kreftene styres

Ladninger samhandler med hverandre avhengig av deres polaritet - de samme frastøter, og de motsatte (motsatte) tiltrekker seg.

Dette er forresten hovedforskjellen fra en lignende lov om gravitasjonsinteraksjon, der kropper alltid tiltrekkes. Kreftene er rettet langs linjen trukket mellom dem, kalt radiusvektoren. I fysikk, betegnet som r₁₂ og som en radiusvektor fra den første til den andre ladningen og omvendt. Kreftene er rettet fra sentrum av ladningen til den motsatte ladningen langs denne linjen, hvis ladningene er motsatte, og i motsatt retning, hvis de har samme navn (to positive eller to negative). I vektorform:

Kraften som påføres den første ladningen fra siden av den andre er betegnet som F_12. Så, i vektorform, ser Coulombs lov slik ut:

For å bestemme kraften som påføres den andre ladningen, er notasjonen F₂₁ og R₂₁.

Hvis kroppen har en kompleks form og den er stor nok til at den i en gitt avstand ikke kan betraktes som en punktladning, så deles den inn i små seksjoner og hver seksjon betraktes som en punktladning. Etter geometrisk tillegg av alle de resulterende vektorene, oppnås den resulterende kraften. Atomer og molekyler samhandler med hverandre i henhold til samme lov.

Anvendelse i praksis

Coulombs verk er svært viktige innen elektrostatikk; i praksis brukes de i en rekke oppfinnelser og enheter. Et slående eksempel er en lynavleder. Med dens hjelp er bygninger og elektriske installasjoner beskyttet mot tordenvær, og forhindrer dermed brann og utstyrssvikt. Når det regner med tordenvær, vises en indusert ladning av stor styrke på bakken, de tiltrekkes mot skyen. Det viser seg at et stort elektrisk felt vises på jordoverflaten. Nær tuppen av lynstangen har den en stor verdi, som et resultat av at en koronautladning antennes fra tuppen (fra bakken, gjennom lynstangen til skyen). Ladningen fra jorden blir tiltrukket av den motsatte ladningen av skyen, ifølge Coulombs lov. Luften ioniseres, og den elektriske feltstyrken avtar nær enden av lynavlederen. Dermed samler ikke ladningene seg på bygningen, i så fall er sannsynligheten for et lynnedslag liten. Hvis det oppstår et slag mot bygningen, vil all energien gå ned i bakken gjennom lynavlederen.

I seriøs vitenskapelig forskning brukes den største strukturen i det 21. århundre - partikkelakseleratoren. I den gjør det elektriske feltet jobben for å øke energien til partikkelen. Når man vurderer disse prosessene fra synspunktet om effekten på en punktladning av en gruppe ladninger, så viser alle lovens forhold seg å være sanne.

Til slutt anbefaler vi å se videoen, som gir en detaljert forklaring av Coulombs lov:

Nyttig om emnet:

• Joule-Lenz lov
• Avhengigheten av motstanden til lederen på temperaturen
• Gimp regler
• Ohms lov i enkle ord