Coulombs lag: formel, definition, tillämpning i praktiken

Inom elektrostatik är en av de grundläggande lagarna Coulombs lag. Det används i fysiken för att bestämma samverkanskraften mellan två stationära punktladdningar eller avståndet mellan dem. Detta är en grundläggande naturlag som inte är beroende av några andra lagar. Då påverkar inte den verkliga kroppens form storleken på krafterna. I den här artikeln kommer vi i enkla termer att förklara Coulombs lag och dess tillämpning i praktiken.

Upptäcktshistoria

Sh.O. Hänge 1785 för första gången experimentellt bevisat de interaktioner som beskrivs av lagen. I sina experiment använde han en speciell torsionsbalans. Men redan 1773 det bevisades av Cavendish, med exemplet med en sfärisk kondensator, att det inte finns något elektriskt fält inuti sfären. Detta tydde på att de elektrostatiska krafterna förändras beroende på avståndet mellan kropparna. Närmare bestämt kvadraten på avståndet. Då publicerades inte hans forskning. Historiskt sett har denna upptäckt fått sitt namn efter Coulomb, samma namn ges också till det värde som laddningen mäts i.

Ordvalet

Definitionen av Coulombs lag lyder: I ett vakuum F interaktion mellan två laddade kroppar är direkt proportionell mot produkten av deras moduler och omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem.

Det låter kort, men det kanske inte är tydligt för alla. Med enkla ord: Ju mer laddning kropparna har och ju närmare de är varandra, desto större kraft.

Och vice versa: Om du ökar avståndet mellan laddningarna blir kraften mindre.

Formeln för Coulomb-regeln ser ut så här:

Beteckning av bokstäver: q är mängden laddning, r är avståndet mellan dem, k är koefficienten, beror på det valda enhetssystemet.

Värdet på laddningen q kan vara villkorligt positivt eller villkorligt negativt. Denna uppdelning är mycket godtycklig. När kroppar kommer i kontakt kan det överföras från en till en annan. Därav följer att en och samma kropp kan ha en laddning som är olika i storlek och tecken. En punktladdning är en laddning eller en kropp vars dimensioner är mycket mindre än avståndet för möjlig interaktion.

Man bör komma ihåg att miljön där laddningarna finns påverkar F-interaktionerna. Eftersom det är nästan lika i luft och i vakuum, är Coulombs upptäckt endast tillämplig för dessa medier, detta är ett av villkoren för tillämpningen av denna typ av formel. Som redan nämnts, i SI-systemet är måttenheten för laddning Coulomb, förkortad Cl. Det kännetecknar mängden el per tidsenhet. Härledd från bas SI-enheter.

1 Cl = 1 A * 1 s

Det bör noteras att dimensionen 1 C är överflödig. På grund av det faktum att bärarna stöter bort varandra är det svårt att hålla dem i en liten kropp, även om strömmen av 1A själv är liten om den flyter i ledaren. Till exempel, i samma 100 W glödlampa, flyter en ström på 0,5 A och i en elektrisk värmare, mer än 10 A. En sådan kraft (1 C) är ungefär lika med den som verkar på en kropp med en massa på 1 ton från sidan av jordklotet.

Du kanske har märkt att formeln är praktiskt taget densamma som i gravitationsinteraktionen, bara om massor förekommer i Newtons mekanik, då uppstår laddningar i elektrostatik.

Coulombs formel för ett dielektriskt medium

Koefficienten med hänsyn till SI-systemets värden bestäms i N²* m²/Кл². Det är lika med:

I många läroböcker kan denna koefficient hittas i form av en bråkdel:

Här E₀= 8,85 * 10-12 Cl2 / N * m2 är en elektrisk konstant. För ett dielektrikum läggs E till - mediets dielektricitetskonstant, sedan kan Coulombs lag användas för att beräkna krafterna för växelverkan mellan laddningar för ett vakuum och ett medium.

Med hänsyn till inverkan av dielektrikumet har det formen:

Härifrån ser vi att införandet av ett dielektrikum mellan kropparna minskar kraften F.

Hur krafterna riktas

Laddningar interagerar med varandra beroende på deras polaritet - desamma stöter bort, och de motsatta (motsatta) attraherar.

Detta är förresten den största skillnaden från en liknande lag för gravitationsinteraktion, där kroppar alltid attraheras. Krafterna riktas längs linjen som dras mellan dem, kallad radievektor. I fysiken, betecknad som r₁₂ och som en radievektor från den första till den andra laddningen och vice versa. Krafterna riktas från mitten av laddningen till den motsatta laddningen längs denna linje, om laddningarna är motsatta, och i motsatt riktning, om de har samma namn (två positiva eller två negativa). I vektorform:

Kraften som appliceras på den första laddningen från sidan av den andra betecknas som F_12. Sedan, i vektorform, ser Coulombs lag ut så här:

För att bestämma kraften som appliceras på den andra laddningen, beteckningen F₂₁ och R₂₁.

Om kroppen har en komplex form och den är tillräckligt stor för att den på ett givet avstånd inte kan betraktas som en punktladdning, är den uppdelad i små sektioner och varje sektion betraktas som en punktladdning. Efter geometrisk addition av alla resulterande vektorer erhålls den resulterande kraften. Atomer och molekyler interagerar med varandra enligt samma lag.

Tillämpning i praktiken

Coulombs verk är mycket viktiga inom elektrostatik, i praktiken används de i ett antal uppfinningar och anordningar. Ett slående exempel är en blixtledare. Med dess hjälp skyddas byggnader och elinstallationer från åskväder och förhindrar därmed brand och utrustningsfel. När det regnar med åskväder dyker en inducerad laddning av stor magnitud upp på marken, de attraheras mot molnet. Det visar sig att ett stort elektriskt fält uppträder på jordens yta. Nära spetsen av blixtstången har den ett stort värde, som ett resultat av vilket en koronaurladdning antänds från spetsen (från marken, genom blixtstången till molnet). Laddningen från jorden attraheras av molnets motsatta laddning, enligt Coulombs lag. Luften joniseras och den elektriska fältstyrkan minskar nära änden av blixtstången. Avgifterna samlas alltså inte på byggnaden, i så fall är sannolikheten för ett blixtnedslag liten. Om ett slag mot byggnaden inträffar, kommer all energi att gå ner i marken genom blixtstången.

I seriös vetenskaplig forskning används 2000-talets största struktur - partikelacceleratorn. I den gör det elektriska fältet jobbet för att öka partikelns energi. Om man betraktar dessa processer från synvinkeln av effekten på en punktladdning av en grupp av laddningar, så visar sig alla lagens relationer vara sanna.

Slutligen rekommenderar vi att du tittar på videon, som ger en detaljerad förklaring av Coulombs lag:

Användbart i ämnet:

• Joule-Lenz lag
• Ledarens motstånds beroende av temperatur
• Gimp regler
• Ohms lag i enkla ord