Prawo Coulomba: wzór, definicja, zastosowanie w praktyce

W elektrostatyce jednym z podstawowych praw jest prawo Coulomba. Jest używany w fizyce do określania siły oddziaływania między dwoma stacjonarnymi ładunkami punktowymi lub odległości między nimi. Jest to podstawowe prawo natury, które nie zależy od żadnych innych praw. Wtedy kształt rzeczywistego ciała nie wpływa na wielkość sił. W tym artykule wyjaśnimy w prosty sposób prawo Coulomba i jego zastosowanie w praktyce.

Historia odkryć

Sh.O. Wisiorek w 1785 po raz pierwszy eksperymentalnie udowodniono interakcje opisane przez prawo. W swoich eksperymentach używał specjalnej wagi skrętnej. Jednak w 1773 r. Cavendish udowodnił na przykładzie kondensatora sferycznego, że wewnątrz kuli nie ma pola elektrycznego. Wskazuje to, że siły elektrostatyczne zmieniają się w zależności od odległości między ciałami. Dokładniej, kwadrat odległości. Wtedy jego badania nie zostały opublikowane. Historycznie odkrycie to zostało nazwane imieniem Coulomba, taką samą nazwę nadano również wartości, w której mierzony jest ładunek.

Treść

Definicja prawa Coulomba brzmi: W odkurzaczu Oddziaływanie F dwóch naładowanych ciał jest wprost proporcjonalne do iloczynu ich modułów i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi.

Brzmi krótko, ale może nie być jasne dla wszystkich. W prostych słowach: Im więcej ładunku mają ciała i im bliżej się znajdują, tym większa siła.

I wzajemnie: Jeśli zwiększysz odległość między ładunkami, siła będzie mniejsza.

Wzór na regułę Coulomba wygląda tak:

Oznaczenie liter: q to ilość ładunku, r to odległość między nimi, k to współczynnik, zależny od wybranego układu jednostek.

Wartość ładunku q może być warunkowo dodatnia lub warunkowo ujemna. Ten podział jest bardzo arbitralny. Kiedy ciała wchodzą w kontakt, mogą się one przenosić między sobą. Z tego wynika, że ​​jedno i to samo ciało może mieć ładunek o różnej wielkości i znaku. Ładunek punktowy to ładunek lub ciało, którego wymiary są znacznie mniejsze niż odległość możliwej interakcji.

Należy pamiętać, że środowisko, w którym znajdują się ładunki, wpływa na oddziaływania F. Ponieważ jest prawie równy w powietrzu iw próżni, odkrycie Coulomba ma zastosowanie tylko do tych mediów, jest to jeden z warunków zastosowania tego typu formuły. Jak już wspomniano, w układzie SI jednostką miary ładunku jest kulomb, w skrócie Cl. Charakteryzuje ilość energii elektrycznej na jednostkę czasu. Pochodzi z podstawowych jednostek SI.

1 Cl = 1 A * 1 s

Należy zauważyć, że wymiar 1 C jest zbędny. Ze względu na to, że nośniki się odpychają, trudno utrzymać je w małej obudowie, chociaż sam prąd 1A jest niewielki, jeśli płynie w przewodzie. Na przykład w tej samej żarówce o mocy 100 W płynie prąd 0,5 A, a w nagrzewnicy elektrycznej ponad 10 A. Taka siła (1 C) jest w przybliżeniu równa sile działającej na ciało o masie 1 tony od strony kuli ziemskiej.

Być może zauważyłeś, że wzór jest praktycznie taki sam jak w oddziaływaniu grawitacyjnym, tylko jeśli w mechanice Newtona pojawiają się masy, to w elektrostatyce pojawiają się ładunki.

Wzór Coulomba dla ośrodka dielektrycznego

Współczynnik uwzględniający wartości układu SI jest określany w N²* m²/Кл². Jest równy:

W wielu podręcznikach współczynnik ten można znaleźć w postaci ułamka:

Tutaj E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 jest stałą elektryczną. Dla dielektryka dodaje się E - stałą dielektryczną ośrodka, wtedy prawo Coulomba można wykorzystać do obliczenia sił oddziaływania ładunków dla próżni i ośrodka.

Biorąc pod uwagę wpływ dielektryka wygląda to tak:

Stąd widzimy, że wprowadzenie dielektryka między ciałami zmniejsza siłę F.

Jak siły są kierowane

Ładunki oddziałują ze sobą w zależności od ich polaryzacji - te same odpychają, a przeciwne (przeciwne) przyciągają.

Nawiasem mówiąc, jest to główna różnica w stosunku do podobnego prawa oddziaływania grawitacyjnego, w którym ciała są zawsze przyciągane. Siły są skierowane wzdłuż narysowanej między nimi linii zwanej wektorem promienia. W fizyce oznaczany jako r₁₂ i jako wektor promienia od pierwszego do drugiego ładunku i odwrotnie. Siły są skierowane od środka ładunku do przeciwnego ładunku wzdłuż tej linii, jeśli ładunki są przeciwne, i w przeciwnym kierunku, jeśli mają tę samą nazwę (dwa dodatnie lub dwa ujemne). W formie wektorowej:

Siła przyłożona do pierwszego ładunku od strony drugiego jest oznaczona jako F_12. Wtedy w postaci wektorowej prawo Coulomba wygląda tak:

Aby określić siłę przyłożoną do drugiego ładunku, zapis F₂₁ i R₂₁.

Jeżeli ciało ma złożony kształt i jest na tyle duże, że w danej odległości nie można go uznać za ładunek punktowy, to dzielone jest na małe odcinki, a każdy odcinek uważany jest za ładunek punktowy. Po geometrycznym dodaniu wszystkich otrzymanych wektorów uzyskuje się siłę wynikową. Atomy i cząsteczki oddziałują ze sobą zgodnie z tym samym prawem.

Zastosowanie w praktyce

Prace Coulomba są bardzo ważne w elektrostatyce, w praktyce wykorzystywane są w wielu wynalazkach i urządzeniach. Uderzającym przykładem jest piorunochron. Z jego pomocą budynki i instalacje elektryczne są chronione przed burzami, zapobiegając w ten sposób pożarom i awariom sprzętu. Kiedy pada deszcz z burzą, na ziemi pojawia się indukowany ładunek o dużej sile, przyciągany w kierunku chmury. Okazuje się, że na powierzchni ziemi pojawia się duże pole elektryczne. W pobliżu czubka piorunochronu ma dużą wartość, w wyniku czego od czubka (z ziemi, przez piorunochron do chmury) dochodzi do zapłonu wyładowania koronowego. Zgodnie z prawem Coulomba ładunek z ziemi jest przyciągany do przeciwnego ładunku chmury. Powietrze jest zjonizowane, a siła pola elektrycznego spada pod koniec piorunochronu. W ten sposób ładunki nie kumulują się na budynku, przez co prawdopodobieństwo uderzenia pioruna jest niewielkie. Jeśli nastąpi uderzenie w budynek, przez piorunochron cała energia trafi w ziemię.

W poważnych badaniach naukowych wykorzystuje się największą konstrukcję XXI wieku - akcelerator cząstek. W nim pole elektryczne wykonuje pracę, aby zwiększyć energię cząstki. Rozpatrując te procesy z punktu widzenia wpływu grupy ładunków na ładunek punktowy, to wszystkie relacje prawa okazują się prawdziwe.

Na koniec zalecamy obejrzenie filmu, który zawiera szczegółowe wyjaśnienie prawa Coulomba:

Przydatne w temacie:

• Prawo Joule'a-Lenza
• Zależność rezystancji przewodnika od temperatury
• Zasady gimbala
• Prawo Ohma w prostych słowach