Coulombi seadus, definitsioon ja valem – elektrilised punktlaengud ja nende vastastikmõju

Laetud kehade vahel on vastasmõju jõud, mille kaudu nad saavad üksteist meelitada või tõrjuda. Coulombi seadus kirjeldab seda jõudu ja näitab selle mõju ulatust sõltuvalt keha enda suurusest ja kujust. Seda füüsikaseadust arutatakse selles artiklis.

Coulombi seaduse valem.

Sisu

1 Statsionaarsed punktlaengud
2 Charles Coulombi torsioonkaalud
3 Proportsionaalsustegur k ja elektrikonstant
4 Coulombi jõu suund ja valemi vektorvorm
5 Kus Coulombi seadust praktikas rakendatakse
6 Jõudude suund Coulombi seaduses
7 Seaduse avastamise ajalugu

Statsionaarsed punktlaengud

Coulombi seadus kehtib statsionaarsete kehade kohta, mille suurus on palju väiksem kui nende kaugus teistest objektidest. Sellistele kehadele on koondunud punktelektrilaeng. Füüsiliste probleemide lahendamisel jäetakse kõne all olevate kehade suurused tähelepanuta, sest neil pole suurt tähtsust.

Praktikas on puhkepunkti laengud kujutatud järgmiselt:

Punkt positiivselt laetud laeng q1.

Sel juhul q₁ ja q₂ - on positiivne elektrilaenguid ja neile mõjub Coulombi jõud (joonisel pole näidatud). Punktobjektide suurus ei oma tähtsust.

Märge! Puhkelaengud asuvad üksteisest etteantud kaugusel, mida ülesannetes tähistatakse tavaliselt r-tähega. Edasises artiklis käsitleme neid laenguid vaakumis.

Charles Coulombi torsioonkaalud

See seade, mille Coulombi töötas välja 1777. aastal, aitas tuletada jõu sõltuvust, mis sai hiljem tema järgi nime. Seda kasutatakse nii punktlaengute kui ka magnetpooluste vastasmõju uurimiseks.

Torsioonkaaludel on vertikaalsel tasapinnal asuv väike siidniit, mille küljes ripub tasakaalustatud hoob. Kangi otstes on punktlaengud.

Väliste jõudude mõjul hakkab hoob horisontaalselt liikuma. Hoob liigub tasapinnas, kuni see on tasakaalustatud keerme elastsusjõuga.

Liikumise käigus kaldub kang vertikaalteljest teatud nurga võrra kõrvale. Seda võetakse kui d ja seda nimetatakse pöördenurgaks. Teades selle parameetri väärtust, saate leida tekkivate jõudude pöördemomendi.

Loe ka: Mis on elektrivool lihtsate sõnadega

Charles Coulombi väändekaalud näevad välja järgmised:

Charles Coulombi torsioonkaalud.

Proportsionaalsustegur k ja elektrikonstant $\varepsilon_0$

Coulombi seaduse valemis on parameetrid k, proportsionaalsuskoefitsient või $\varepsilon_0$ - elektriline konstant. Elektriline konstant $\varepsilon_0$ on esitatud paljudes teatmeteostes, õpikutes, Internetis ja seda ei pea loendama! Proportsionaalsuse koefitsient vaakumis, mis põhineb $\varepsilon_0$ võib leida tuntud valemi abil:

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

Siin $\varepsilon_0=8,85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - elektriline konstant,

$\pi=3,14$ - number pi,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - proportsionaalsuse koefitsient vaakumis.

Lisainformatsioon! Ülaltoodud parameetreid teadmata on võimatu leida kahe punkti elektrilaengute vastastikust mõju.
Coulombi seaduse sõnastus ja valem

Ülaltoodu kokkuvõtteks on vaja anda elektrostaatika peamise seaduse ametlik sõnastus. See võtab vormi:

Kahe puhkepunkti laengu vastasmõju vaakumis on võrdeline nende laengute korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Ja tasude korrutis tuleb võtta modulo!

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

Selles valemis q₁ ja q₂- on punktlaengud, vaadeldavad kehad; r² - on nende kehade vaheline kaugus tasapinnal ruuduna; k on proportsionaalsustegur ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ vaakumi jaoks).

Coulombi jõu suund ja valemi vektorvorm

Valemi täielikuks mõistmiseks saab Coulombi seadust visuaalselt kujutada:

Coulombi jõu suund kahe sama polaarsusega punktlaengu jaoks.

F_1,2- on esimese laengu vastasmõju teise suhtes.

F_2,1- on teise laengu vastasmõju esimese suhtes.

Samuti tuleb elektrostaatikaülesannete lahendamisel arvestada olulise reegliga: samanimelised elektrilaengud tõrjuvad ja vastupidise nimega laengud tõmbavad. See määrab interaktsioonijõudude asukoha joonisel.

Kui arvestada vastandlikke laenguid, on nende vastasmõju jõud suunatud üksteise poole, esindades nende külgetõmmet.

Coulombi jõu suund kahe erineva polaarsusega punktlaengu jaoks.

Elektrostaatika põhiseaduse valemit vektorkujul saab esitada järgmiselt:

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

$\{vec F_1_2}$ - punktlaengule q1 mõjuv jõud laengu q2 küljel,

${\vec r_1_2}$ - raadiusvektor, mis ühendab laengu q2 laenguga q1,

Loe ka: Kuidas teha kodus elektroonilist trükkplaati?

$r=||\vec r_1_2|$

Tähtis! Pärast valemi vektorkujul kirjutamist tuleb märkide õigeks panemiseks projitseerida teljele kahe punkti elektrilaengute vastastikku mõjuvad jõud. See toiming on formaalsus ja seda tehakse sageli vaimselt ilma märkmeteta.

Kus Coulombi seadus praktikas kehtib

Elektrostaatika põhiseadus on Charles Coulombi kõige olulisem avastus, mis on leidnud rakendust paljudes valdkondades.

Kuulsa füüsiku tööd kasutati erinevate seadmete, instrumentide, aparaatide leiutamise protsessis. Näiteks piksevarras.

Piksevardaid kasutades kaitstakse maju ja hooneid äikese ajal välgu eest. Seega suureneb elektriseadmete kaitseaste.

Piksevardad töötavad järgmisel põhimõttel: äikese ajal kogunevad maapinnale järk-järgult tugevad induktsioonilaengud, mis tõusevad üles ja tõmbuvad pilvede poole. See loob maapinnale märkimisväärse elektrivälja. Piksevarda lähedal muutub elektriväli tugevamaks, nii et koroona elektrilaeng süttib seadme otsast.

Siis hakkab maapinnal tekkinud laeng tõmbama vastupidise märgiga pilvelaengule, nagu see Charles Coulombi seaduse järgi peaks olema. Seejärel õhk ioniseeritakse ja elektrivälja tugevus väheneb piksevarda otsa lähedal. Seega on välgu hoonesse sattumise oht minimaalne.

Pane tähele! Kui piksevardaga hoone sisse lööb, siis tuld ei teki ja kogu energia läheb maasse.

Coulombi seadusele tuginedes töötati välja seade nimega "Particle Accelerator", mis on tänapäeval väga nõutud.

See seade loob tugeva elektrivälja, mis suurendab sellesse sisenevate osakeste energiat.

Jõudude suund Coulombi seaduses

Nagu eespool öeldud, sõltub kahepunktiliste elektrilaengute vastasmõju jõudude suund nende polaarsusest. See tähendab, et sama naabri laengud tõrjuvad ja vastasnaabri laengud tõmbavad ligi.

Loe ka: Kuidas oma kätega metallidetektorit valmistada, abi algajatele

Coulombi jõude võib nimetada ka raadiusvektoriks, kuna need on samad, mis raadiusvektorid. need on suunatud mööda nende vahele tõmmatud joont.

Mõnes füüsikalises probleemis on keerulise kujuga kehad, mida ei saa võtta punktelektrilaenguna, st jätta tähelepanuta selle suurus. Sellises olukorras tuleks kõnealune keha jagada mitmeks väikeseks osaks ja arvutada iga osa eraldi, rakendades Coulombi seadust.

Jagamisel saadud jõuvektorid liidetakse algebra ja geomeetria reeglitega. Tulemuseks on jõud, mis on vastus probleemile.Seda lahendusmeetodit nimetatakse sageli kolmnurga meetodiks.

Coulombi jõuvektorite suund.

Seaduse avastamise ajalugu

Kahe punktlaengu koosmõju ülalkirjeldatud seadusega tõestas esmakordselt 1785. aastal Charles Coulomb. Füüsikul õnnestus sõnastatud seaduse õigsust tõestada torsioonkaalude abil, mille tööpõhimõte oli ka artiklis ära toodud.

Coulomb tõestas ka, et sfäärilise kondensaatori sees puudub elektrilaeng. Nii jõudis ta väiteni, et elektrostaatiliste jõudude suurust saab muuta, muutes kõnealuste kehade vahelist kaugust.

Seega on Coulombi seadus siiani kõige olulisem elektrostaatika seadus, mille põhjal on tehtud palju suuri avastusi. Käesolevas artiklis on välja toodud seaduse ametlik sõnastus ja üksikasjalikult kirjeldatud selle koostisosi.

Seotud artiklid: