Coulombov zakon: formula, definicija, uporaba v praksi

V elektrostatiki je eden od temeljnih zakonov Coulombov zakon. V fiziki se uporablja za določanje sile interakcije med dvema stacionarnima točkovnim nabojem ali razdalje med njima. To je temeljni zakon narave, ki ni odvisen od drugih zakonov. Potem oblika pravega telesa ne vpliva na velikost sil. V tem članku bomo na preprost način razložili Coulombov zakon in njegovo uporabo v praksi.

Zgodovina odkritij

Sh.O. Obesek iz 1785 prvič eksperimentalno dokazala interakcije, ki jih opisuje zakon. Pri svojih poskusih je uporabil posebno torzijsko tehtnico. Vendar že leta 1773 Cavendish je na primeru sferičnega kondenzatorja dokazal, da znotraj krogle ni električnega polja. To je pokazalo, da se elektrostatične sile spreminjajo glede na razdaljo med telesi. Natančneje, kvadrat razdalje. Potem njegova raziskava ni bila objavljena. Zgodovinsko gledano je bilo to odkritje poimenovano po Coulombi, enako ime je tudi vrednost, v kateri se meri naboj.

Besedilo

Opredelitev Coulombovega zakona se glasi: V vakuumu F interakcija dveh nabitih teles je neposredno sorazmerna zmnožku njunih modulov in obratno sorazmerna s kvadratom razdalje med njima.

Sliši se kratko, a morda ni vsem jasno. Z enostavnimi besedami: Več naboja kot imajo telesa in bližje so drug drugemu, večja je sila.

In obratno: Če povečate razdaljo med naboji, bo sila manjša.

Formula za Coulombovo pravilo izgleda takole:

Oznaka črk: q je količina naboja, r je razdalja med njima, k je koeficient, odvisno od izbranega sistema enot.

Vrednost naboja q je lahko pogojno pozitivna ali pogojno negativna. Ta delitev je zelo poljubna. Ko telesa pridejo v stik, se lahko prenašajo z enega na drugega. Iz tega sledi, da ima lahko eno in isto telo naboj, različen po velikosti in predznaku. Točkovni naboj je naboj ali telo, katerega dimenzije so veliko manjše od razdalje možne interakcije.

Upoštevati je treba, da okolje, v katerem se nahajajo naboji, vpliva na F interakcije. Ker je v zraku in v vakuumu skoraj enak, je Coulombovo odkritje uporabno samo za te medije, je to eden od pogojev za uporabo te vrste formule. Kot že omenjeno, je v sistemu SI merska enota za naboj Coulomb, skrajšano Cl. Označuje količino električne energije na enoto časa. Izpeljano iz osnovnih enot SI.

1 Cl = 1 A * 1 s

Treba je opozoriti, da je dimenzija 1 C odveč. Zaradi dejstva, da se nosilci med seboj odbijajo, jih je težko zadržati v majhnem telesu, čeprav je tok 1A sam majhen, če teče v prevodniku. Na primer, v isti žarnici z žarilno nitko 100 W teče tok 0,5 A, v električnem grelniku pa več kot 10 A. Takšna sila (1 C) je približno enaka tisti, ki deluje na telo z maso 1 tone s strani zemeljske oble.

Morda ste opazili, da je formula praktično enaka kot pri gravitacijski interakciji, le če se mase pojavijo v Newtonovi mehaniki, potem se pojavijo naboji v elektrostatiki.

Coulombova formula za dielektrični medij

Koeficient, ki upošteva vrednosti sistema SI, je določen v N²* m²/Кл². Je enako:

V mnogih učbenikih je ta koeficient mogoče najti v obliki ulomka:

Tukaj E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 je električna konstanta. Za dielektrik se doda E - dielektrična konstanta medija, potem se lahko uporabi Coulombov zakon za izračun sil interakcije nabojev za vakuum in medij.

Ob upoštevanju vpliva dielektrika ima obliko:

Od tu vidimo, da vnos dielektrika med telesi zmanjša silo F.

Kako so sile usmerjene

Naboji medsebojno delujejo glede na svojo polarnost - enaki se odbijajo, nasprotni (nasprotni) pa se privlačijo.

Mimogrede, to je glavna razlika od podobnega zakona gravitacijske interakcije, kjer se telesa vedno privlačijo. Sile so usmerjene vzdolž črte, ki je narisana med njima, ki se imenuje vektor polmera. V fiziki označujemo kot r₁₂ in kot polmerni vektor od prvega do drugega naboja in obratno. Sile so usmerjene iz središča naboja proti nasprotnemu naboju vzdolž te črte, če sta naboja nasprotna, in v nasprotni smeri, če sta enaka (dva pozitivna ali dva negativna). V vektorski obliki:

Sila, ki deluje na prvi naboj s strani drugega, je označena kot F_12. Potem je v vektorski obliki Coulombov zakon videti takole:

Za določitev sile, ki deluje na drugi naboj, uporabite zapis F₂₁ in R₂₁.

Če ima telo zapleteno obliko in je dovolj veliko, da ga na določeni razdalji ni mogoče šteti za točkovni naboj, potem je razdeljeno na majhne odseke in vsak odsek se obravnava kot točkovni naboj. Po geometrijskem seštevanju vseh dobljenih vektorjev dobimo dobljeno silo. Atomi in molekule medsebojno delujejo po istem zakonu.

Uporaba v praksi

Coulombova dela so zelo pomembna v elektrostatiki, v praksi pa se uporabljajo pri številnih izumih in napravah. Osupljiv primer je strelovod. Z njegovo pomočjo so zgradbe in električne instalacije zaščitene pred nevihtami, s čimer se prepreči požar in okvare opreme. Ko dežuje z nevihto, se na tleh pojavi inducirani naboj velike velikosti, pritegnejo se proti oblaku. Izkazalo se je, da se na površini zemlje pojavi veliko električno polje. V bližini konice strelovoda ima veliko vrednost, zaradi česar se iz konice (od tal, skozi strelovod do oblaka) vžge koronski izpust. Naboj iz zemlje se po Coulombovem zakonu privlači z nasprotnim nabojem oblaka. Zrak je ioniziran in jakost električnega polja se zmanjša blizu konca strelovoda. Tako se naboji ne kopičijo na objektu, v tem primeru je verjetnost udara strele majhna. Če pride do udarca v zgradbo, bo skozi strelovod vsa energija šla v tla.

V resnih znanstvenih raziskavah se uporablja največja struktura 21. stoletja – pospeševalnik delcev. V njem električno polje opravi delo za povečanje energije delca. Če te procese upoštevamo z vidika učinka skupine nabojev na točkovni naboj, se izkaže, da so vsa razmerja zakona resnična.

Na koncu priporočamo ogled videoposnetka, ki vsebuje podrobno razlago Coulombovega zakona:

Koristno na temo:

• Joule-Lenzov zakon
• Odvisnost upora prevodnika od temperature
• Gimp pravila
• Ohmov zakon z enostavnimi besedami