Coulombův zákon, definice a vzorec - elektrické bodové náboje a jejich vzájemné působení

Mezi nabitými tělesy existuje interakční síla, kterou se mohou přitahovat nebo odpuzovat. Coulombův zákon popisuje tuto sílu a ukazuje, do jaké míry působí v závislosti na velikosti a tvaru samotného tělesa. Tímto fyzikálním zákonem se budeme zabývat v tomto článku.

Vzorec Coulombova zákona.

Obsah

1 Stacionární bodové nálože
2 Coulombovy torzní váhy Charlese Coulomba
3 Koeficient úměrnosti k a elektrická konstanta
4 Směr Coulombovy síly a vektorová formulace
5 Kde se Coulombův zákon uplatňuje v praxi
6 Směr síly v Coulombově zákoně
7 Historie objevu

Stacionární bodové nálože

Coulombův zákon platí pro nehybná tělesa, jejichž velikost je mnohem menší než jejich vzdálenost od jiných objektů. Na těchto tělesech je bodový elektrický náboj. Při řešení fyzikálních problémů se rozměry daných těles zanedbávají, protože nemají velký význam.

V praxi se klidové bodové náboje představují takto:

Bodový kladně nabitý náboj q1. Bodový kladně nabitý náboj q2.

V tomto případě q₁ a q₂ - jsou pozitivní elektrické náboje a působí na ně Coulombova síla (na obrázku není znázorněna). Na velikosti bodových objektů nezáleží.

Poznámka! Klidové náboje se nacházejí v dané vzdálenosti od sebe, která se v úlohách obvykle označuje písmenem r. Dále v tomto dokumentu budou tyto poplatky posuzovány ve vakuu.

Coulombovy torzní váhy Charlese Coulomba

Tento přístroj, který Coulomb vyvinul v roce 1777, pomohl odvodit závislost síly později pojmenované po něm. Používá se ke studiu interakce bodových nábojů a magnetických pólů.

Torzní váhy mají malé hedvábné vlákno umístěné ve svislé rovině, na kterém visí vyvážená páka. Na koncích páky jsou bodové nálože.

Působením vnějších sil začne páka vykonávat vodorovné pohyby. Páka se bude pohybovat v rovině, dokud nebude vyvážena pružnou silou závitu.

Při pohybu se páka vychýlí od svislé osy pod určitým úhlem. Tento úhel je d a nazývá se úhel natočení. Znalost hodnoty tohoto parametru umožňuje zjistit moment působících sil.

Přečtěte si také: Co je to elektrický proud jednoduše řečeno

Torzní stupnice Charlese Coulomba vypadají následovně:

Torzní váhy Charlese Coulomba.

Koeficient úměrnosti k a elektrická konstanta $\varepsilon_0$

Vzorec Coulombova zákona má parametry k - koeficient úměrnosti neboli $\varepsilon_0$ - elektrická konstanta. Elektrická konstanta $\varepsilon_0$ je uvedena v mnoha příručkách, učebnicích, na internetu a není třeba ji vypočítávat! Koeficient proporcionality ve vakuu na základě $\varepsilon_0$ lze zjistit podle známého vzorce:

$k = \frac {1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}$

Zde $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - elektrická konstanta,

${\pi=3,14$ - číslo pí,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - je koeficient úměrnosti ve vakuu.

Více informací! Bez znalosti výše uvedených parametrů nelze zjistit interakční sílu mezi dvěma bodovými elektrickými náboji.
Formulace a vzorec Coulombova zákona

Pro shrnutí výše uvedeného je třeba uvést formální formulaci hlavního zákona elektrostatiky. Ten má podobu:

Interakční síla dvou klidových bodových nábojů ve vakuu je přímo úměrná součinu těchto nábojů a nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti mezi nimi. A součin nábojů je třeba brát modulo!

$F=k\cdot \frac {|q_1|\cdot |q_2|}{r^2}$

V tomto vzorci q₁ a q₂- jsou bodové náboje, uvažovaná tělesa; r² - je vzdálenost v rovině mezi těmito tělesy, která se bere jako čtverec; k je faktor úměrnosti ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ pro vakuum).

Směr Coulombovy síly a vektorový tvar vzorce

Pro úplné pochopení vzorce lze Coulombův zákon znázornit vizuálně:

Směr Coulombovy síly pro dva bodové náboje stejné polarity.

F_1,2- je interakční síla prvního náboje vůči druhému.

F_2,1- je interakční síla druhého náboje vůči prvnímu.

Při řešení úloh z elektrostatiky je také důležité pravidlo, že se podobné náboje odpuzují a podobné náboje přitahují. To určuje polohu interakčních sil na obrázku.

Pokud uvažujeme opačné náboje, budou interakční síly směřovat k sobě a budou představovat jejich přitažlivost.

Směr Coulombovy síly pro dva bodové náboje různé polarity.

Vzorec pro základní zákon elektrostatiky lze ve vektorovém tvaru znázornit takto

$\vec F_1_2=\frac {1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}\cdot \frac {q_1\cdot q_2}{r_1_2^3}\cdot \vec r_1_2$

$\vec F_1_2$ - Síla působící na bodový náboj q1, na straně náboje q2,

${\vec r_1_2}$ - je poloměrový vektor spojující náboj q2 s nábojem q1,

Přečtěte si také: Jak si doma vyrobit desku s elektronickými obvody?

$r=|||\vec r_1_2|$

Důležité! Když vzorec zapíšeme ve vektorovém tvaru, musíme vzájemné působení sil dvou bodových elektrických nábojů promítnout na osu, abychom správně dosadili znaménka. Tento úkon je formální a často se provádí v duchu bez jakýchkoli poznámek.

Kde se Coulombův zákon uplatňuje v praxi

Základní zákon elektrostatiky je nejdůležitějším objevem Charlese Coulomba, který našel uplatnění v mnoha oborech.

Práce slavného fyzika byla využita při vynalézání různých zařízení, přístrojů a aparatur. Například hromosvod.

Hromosvody se používají k ochraně domů a budov před blesky při bouřkách. Tím se zvyšuje stupeň ochrany elektrických zařízení.

Bleskosvody fungují na následujícím principu: při bouřce se na zemi postupně hromadí silné indukční náboje, které jsou pak vynášeny vzhůru do mraků. To vytváří na zemi velké elektrické pole. V blízkosti hromosvodu se elektrické pole zesílí, takže se od špičky zařízení vznítí elektrický náboj.

Náboj vzniklý na zemi je pak přitahován k náboji na mraku s opačným znaménkem, jak by tomu mělo být podle Coulombova zákona. Vzduch pak prochází procesem ionizace a intenzita elektrického pole se v blízkosti konce hromosvodu snižuje. Riziko úderu blesku do budovy je tak minimální.

Vezměte prosím na vědomí! Pokud dojde k úderu do budovy, na které je instalován hromosvod, nedojde k požáru a veškerá energie unikne do země.

Na základě Coulombova zákona bylo vyvinuto zařízení zvané "urychlovač částic", které je dnes velmi žádané.

Toto zařízení vytváří silné elektrické pole, které zvyšuje energii částic, které do něj vstupují.

Směr sil v Coulombově zákoně

Jak bylo uvedeno výše, směr vzájemného působení sil dvou bodových elektrických nábojů závisí na jejich polaritě. To znamená, že podobné náboje se stejnou polaritou se odpuzují a náboje s opačnou polaritou se přitahují.

Přečtěte si také: Jak vyrobit detektor kovů vlastníma rukama, pomoc pro začátečníky

Coulombovy síly lze také nazvat vektorem poloměru, protože směřují podél čáry, která je mezi nimi nakreslena.

V některých fyzikálních úlohách jsou dána tělesa složitého tvaru, která nelze brát jako bodový elektrický náboj, tj. zanedbávají se jejich rozměry. V takové situaci je třeba dané těleso rozdělit na několik malých částí a každou část vypočítat zvlášť podle Coulombova zákona.

Vektory sil získané jejich rozdělením se sečtou podle pravidel algebry a geometrie. Výsledkem je výsledná síla, která je odpovědí na problém. Tento způsob řešení se často nazývá trojúhelníková metoda.

Směr vektorů Coulombovy síly.

Historie objevu práva

Vzájemné působení dvou bodových nábojů podle výše uvedeného zákona poprvé prokázal v roce 1785 Charles Coulomb. Fyzikovi se podařilo dokázat pravdivost formulovaného zákona pomocí torzních vah, jejichž princip byl v článku rovněž uveden.

Coulomb také dokázal, že uvnitř kulového kondenzátoru není žádný elektrický náboj. Tak dospěl k tvrzení, že velikost elektrostatických sil lze měnit změnou vzdálenosti mezi danými tělesy.

Coulombův zákon je tedy stále nejdůležitějším zákonem elektrostatiky, na jehož základě bylo učiněno mnoho velkých objevů. V rámci tohoto článku byla představena oficiální formulace zákona a podrobně popsány jeho jednotlivé části.

Související články: