Νόμος του Κουλόμπ, ορισμός και τύπος - ηλεκτρικά σημειακά φορτία και η αλληλεπίδρασή τους

Υπάρχει μια δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ φορτισμένων σωμάτων, μέσω της οποίας μπορούν να έλκονται ή να απωθούνται μεταξύ τους. Ο νόμος του Κουλόμπ περιγράφει αυτή τη δύναμη και δείχνει το βαθμό στον οποίο δρα ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα του ίδιου του σώματος. Αυτός ο φυσικός νόμος θα εξεταστεί σε αυτό το άρθρο.

Ο τύπος του νόμου του Κουλόμπ.

Περιεχόμενα

1 Σταθερά σημειακά φορτία
2 Οι κλίμακες στρέψης του Charles Coulomb
3 Ο συντελεστής αναλογικότητας k και η ηλεκτρική σταθερά
4 Κατεύθυνση της δύναμης Coulomb και διανυσματική διατύπωση
5 Πού εφαρμόζεται ο νόμος του Coulomb στην πράξη
6 Η κατεύθυνση της δύναμης στο νόμο του Κουλόμπ
7 Ιστορία της ανακάλυψης

Σταθερά σημειακά φορτία

Ο νόμος του Κουλόμπ εφαρμόζεται σε ακίνητα σώματα των οποίων το μέγεθος είναι πολύ μικρότερο από την απόστασή τους από άλλα αντικείμενα. Υπάρχει σημειακό ηλεκτρικό φορτίο σε τέτοια σώματα. Κατά την επίλυση φυσικών προβλημάτων, οι διαστάσεις των εξεταζόμενων σωμάτων παραμελούνται επειδή δεν έχουν μεγάλη σημασία.

Στην πράξη, τα σημειακά φορτία ηρεμίας αναπαρίστανται ως εξής:

Ένα σημειακό θετικά φορτισμένο φορτίο q1.

Στην περίπτωση αυτή q₁ και q₂ - είναι θετικό ηλεκτρικά φορτία και επηρεάζονται από τη δύναμη Κουλόμπ (δεν φαίνεται στο σχήμα). Το μέγεθος των σημειακών αντικειμένων δεν έχει σημασία.

Σημείωση! Τα φορτία ηρεμίας βρίσκονται σε δεδομένη απόσταση μεταξύ τους, η οποία στα προβλήματα συμβολίζεται συνήθως με το γράμμα r. Στη συνέχεια του εγγράφου οι χρεώσεις αυτές θα εξεταστούν στο κενό.

Οι κλίμακες στρέψης του Charles Coulomb

Η συσκευή αυτή, που αναπτύχθηκε από τον Κουλόμπ το 1777, βοήθησε στην εξαγωγή της εξάρτησης της δύναμης που αργότερα πήρε το όνομά του. Χρησιμοποιείται για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης σημειακών φορτίων καθώς και μαγνητικών πόλων.

Οι ζυγαριές στρέψης έχουν ένα μικρό μεταξωτό νήμα, τοποθετημένο σε κατακόρυφο επίπεδο, στο οποίο κρέμεται ένας ισορροπημένος μοχλός. Υπάρχουν σημειακά φορτία στα άκρα του μοχλού.

Υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, ο μοχλός αρχίζει να κινείται οριζόντια. Ο μοχλός θα κινηθεί στο επίπεδο μέχρι να ισορροπήσει από την ελαστική δύναμη του νήματος.

Κατά τη διαδικασία της κίνησης ο μοχλός εκτρέπεται από τον κατακόρυφο άξονα υπό ορισμένη γωνία. Αυτή λαμβάνεται ως d και ονομάζεται γωνία περιστροφής. Γνωρίζοντας την τιμή αυτής της παραμέτρου, μπορείτε να βρείτε τη ροπή των δυνάμεων που εμφανίζονται.

Διαβάστε επίσης: Τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα με απλούς όρους

Οι κλίμακες στρέψης του Charles Coulomb έχουν ως εξής:

Οι κλίμακες στρέψης του Charles Coulomb.

Ο συντελεστής αναλογικότητας k και η ηλεκτρική σταθερά $\varepsilon_0$

Ο τύπος του νόμου του Κουλόμπ έχει παραμέτρους k - τον συντελεστή αναλογικότητας ή $\varepsilon_0$ - η ηλεκτρική σταθερά. Η ηλεκτρική σταθερά $\varepsilon_0$ παρουσιάζεται σε πολλά βιβλία αναφοράς, εγχειρίδια, στο διαδίκτυο και δεν χρειάζεται να υπολογιστεί! Ο συντελεστής αναλογικότητας στο κενό με βάση $\varepsilon_0$ μπορεί να βρεθεί σύμφωνα με τον γνωστό τύπο:

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

Εδώ $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - ηλεκτρική σταθερά,

$\pi=3.14$ - ο αριθμός του pi,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - είναι ο συντελεστής αναλογικότητας στο κενό.

Πρόσθετες πληροφορίες! Χωρίς τη γνώση των παραπάνω παραμέτρων δεν είναι δυνατόν να βρεθεί η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων.
Διατύπωση και τύπος του νόμου του Coulomb

Για να συνοψίσουμε τα παραπάνω, θα πρέπει να δοθεί μια τυπική διατύπωση του κύριου νόμου της ηλεκτροστατικής. Αυτό έχει τη μορφή:

Η δύναμη αλληλεπίδρασης δύο ακίνητων σημειακών φορτίων στο κενό είναι ευθέως ανάλογη του γινομένου των φορτίων αυτών και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ τους. Και το γινόμενο των φορτίων πρέπει να λαμβάνεται modulo!

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

Στον τύπο αυτό q₁ και q₂- είναι σημειακά φορτία, τα εξεταζόμενα σώματα- r² - είναι η απόσταση στο επίπεδο μεταξύ των σωμάτων αυτών, η οποία λαμβάνεται ως τετράγωνο- k είναι ο συντελεστής αναλογικότητας ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ για κενό).

Η κατεύθυνση της δύναμης Coulomb και η διανυσματική μορφή του τύπου

Για την πλήρη κατανόηση του τύπου, ο νόμος του Κουλόμπ μπορεί να αναπαρασταθεί οπτικά:

Κατεύθυνση της δύναμης Κουλόμπ για δύο σημειακά φορτία της ίδιας πολικότητας.

F_1,2- είναι η δύναμη αλληλεπίδρασης του πρώτου φορτίου σε σχέση με το δεύτερο.

F_2,1- είναι η δύναμη αλληλεπίδρασης του δεύτερου φορτίου σε σχέση με το πρώτο.

Επίσης, ένας σημαντικός κανόνας που πρέπει να λαμβάνετε υπόψη κατά την επίλυση προβλημάτων ηλεκτροστατικής είναι ότι τα όμοια φορτία απωθούνται και τα όμοια φορτία έλκονται. Αυτό καθορίζει τη θέση των δυνάμεων αλληλεπίδρασης στο σχήμα.

Αν θεωρηθούν αντίθετα φορτία, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης θα κατευθύνονται η μία προς την άλλη, αντιπροσωπεύοντας την έλξη τους.

Κατεύθυνση της δύναμης Κουλόμπ για δύο σημειακά φορτία διαφορετικής πολικότητας.

Ο τύπος του βασικού νόμου της ηλεκτροστατικής μπορεί να παρασταθεί σε διανυσματική μορφή ως εξής

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

$\vec F_1_2$ - Η δύναμη που ασκείται στο σημειακό φορτίο q1, στην πλευρά του φορτίου q2,

${\vec r_1_2}$ - είναι το διάνυσμα ακτίνας που συνδέει το φορτίο q2 με το φορτίο q1,

Διαβάστε επίσης: Πώς να φτιάξετε μια ηλεκτρονική πλακέτα κυκλώματος στο σπίτι;

$r=||||\vec r_1_2|$

Σημαντικό! Γράφοντας τον τύπο σε διανυσματική μορφή, οι αλληλεπιδρώσες δυνάμεις δύο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων θα πρέπει να προβάλλονται στον άξονα για να τοποθετηθούν σωστά τα πρόσημα. Η ενέργεια αυτή είναι τυπική και συχνά γίνεται νοερά χωρίς σημειώσεις.

Πού εφαρμόζεται ο νόμος του Coulomb στην πράξη

Ο βασικός νόμος της ηλεκτροστατικής είναι η σημαντικότερη ανακάλυψη του Charles Coulomb, η οποία βρήκε εφαρμογή σε πολλούς τομείς.

Το έργο του διάσημου φυσικού χρησιμοποιήθηκε στη διαδικασία εφεύρεσης διαφόρων συσκευών, οργάνων και συσκευών. Για παράδειγμα, το αλεξικέραυνο.

Τα αλεξικέραυνα χρησιμοποιούνται για την προστασία σπιτιών και κτιρίων από κεραυνούς κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Αυτό αυξάνει το βαθμό προστασίας του ηλεκτρικού εξοπλισμού.

Τα αλεξικέραυνα λειτουργούν με βάση την ακόλουθη αρχή: σε μια καταιγίδα δημιουργούνται σταδιακά ισχυρά επαγωγικά φορτία στο έδαφος, τα οποία στη συνέχεια μεταφέρονται προς τα πάνω και έλκονται από τα σύννεφα. Αυτό δημιουργεί ένα μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο στο έδαφος. Κοντά στο αλεξικέραυνο, το ηλεκτρικό πεδίο γίνεται ισχυρότερο, έτσι ώστε ένα ηλεκτρικό φορτίο κορώνα να αναφλέγεται από την άκρη της συσκευής.

Το φορτίο που σχηματίζεται στο έδαφος έλκεται τότε από το φορτίο στο σύννεφο με αντίθετο πρόσημο, όπως θα έπρεπε σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ. Στη συνέχεια, ο αέρας υφίσταται μια διαδικασία ιονισμού και η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται κοντά στο άκρο του αλεξικέραυνου. Έτσι, ο κίνδυνος να χτυπήσει κεραυνός το κτίριο είναι ελάχιστος.

Παρακαλώ σημειώστε! Εάν χτυπηθεί ένα κτίριο στο οποίο έχει τοποθετηθεί αλεξικέραυνο, δεν θα εκδηλωθεί πυρκαγιά, αλλά όλη η ενέργεια θα διαφύγει στο έδαφος.

Με βάση το νόμο του Κουλόμπ, αναπτύχθηκε μια συσκευή που ονομάζεται "Επιταχυντής σωματιδίων" και έχει μεγάλη ζήτηση σήμερα.

Η συσκευή αυτή δημιουργεί ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο αυξάνει την ενέργεια των σωματιδίων που εισέρχονται σε αυτό.

Η κατεύθυνση των δυνάμεων στο νόμο του Κουλόμπ

Όπως προαναφέρθηκε, η κατεύθυνση των δυνάμεων αλληλεπίδρασης δύο σημειακών ηλεκτρικών φορτίων εξαρτάται από την πολικότητά τους. Δηλαδή, όμοια φορτία με την ίδια πολικότητα θα απωθούνται και φορτία με αντίθετη πολικότητα θα έλκονται.

Διαβάστε επίσης: Πώς να φτιάξετε έναν ανιχνευτή μετάλλων με τα χέρια σας, βοήθεια για αρχάριους

Οι δυνάμεις Κουλόμπ μπορούν επίσης να ονομαστούν διάνυσμα ακτίνας επειδή κατευθύνονται κατά μήκος μιας γραμμής που χαράσσεται μεταξύ τους.

Σε ορισμένα προβλήματα φυσικής, δίνονται σώματα πολύπλοκου σχήματος τα οποία δεν μπορούν να θεωρηθούν ως σημειακό ηλεκτρικό φορτίο, δηλαδή οι διαστάσεις τους αμελούνται. Σε μια τέτοια περίπτωση, το εν λόγω σώμα θα πρέπει να χωριστεί σε πολλά μικρά μέρη και κάθε μέρος θα πρέπει να υπολογιστεί χωριστά, εφαρμόζοντας το νόμο του Coulomb.

Τα διανύσματα δυνάμεων που προκύπτουν από τη διάσπασή τους αθροίζονται σύμφωνα με τους κανόνες της άλγεβρας και της γεωμετρίας. Το αποτέλεσμα είναι η συνισταμένη δύναμη, η οποία είναι η απάντηση στο πρόβλημα. Αυτή η μέθοδος επίλυσης ονομάζεται συχνά μέθοδος του τριγώνου.

Κατεύθυνση των διανυσμάτων δυνάμεων Coulomb.

Ιστορία της ανακάλυψης του νόμου

Η αλληλεπίδραση δύο σημειακών φορτίων σύμφωνα με το νόμο που συζητήθηκε παραπάνω αποδείχθηκε για πρώτη φορά το 1785 από τον Charles Coulomb. Ο φυσικός κατάφερε να αποδείξει την αλήθεια του διατυπωμένου νόμου χρησιμοποιώντας ζυγαριές στρέψης, η αρχή των οποίων παρουσιάστηκε επίσης στο άρθρο.

Ο Κουλόμπ απέδειξε επίσης ότι δεν υπάρχει ηλεκτρικό φορτίο στο εσωτερικό ενός σφαιρικού πυκνωτή. Έτσι κατέληξε στη διαπίστωση ότι το μέγεθος των ηλεκτροστατικών δυνάμεων μπορεί να αλλάξει μεταβάλλοντας την απόσταση μεταξύ των εν λόγω σωμάτων.

Έτσι, ο νόμος του Κουλόμπ εξακολουθεί να είναι ο σημαντικότερος νόμος της ηλεκτροστατικής, βάσει του οποίου έχουν γίνει πολλές μεγάλες ανακαλύψεις. Στο πλαίσιο του παρόντος άρθρου, παρουσιάστηκε η επίσημη διατύπωση του νόμου και περιγράφηκαν λεπτομερώς τα συστατικά του μέρη.

Σχετικά άρθρα: