Coulombin laki, määritelmä ja kaava - sähköiset pistevaraukset ja niiden vuorovaikutus

Varattujen kappaleiden välillä on vuorovaikutusvoima, jonka avulla ne voivat vetää tai hylkiä toisiaan. Coulombin laki kuvaa tätä voimaa ja osoittaa, missä määrin se vaikuttaa kappaleen koon ja muodon mukaan. Tätä fysikaalista lakia käsitellään tässä artikkelissa.

Coulombin lain kaava.

Sisältö

1 Paikallaan olevat pistemäiset lataukset
2 Charles Coulombin vääntöasteikot
3 Suhteellisuuskerroin k ja sähköinen vakio
4 Coulombin voiman suunta ja vektorin muotoilu
5 Coulombin lain soveltaminen käytännössä
6 Voiman suunta Coulombin laissa.
7 Löytämisen historia

Paikallaan olevat pistemäiset lataukset

Coulombin lakia sovelletaan paikallaan oleviin kappaleisiin, joiden koko on paljon pienempi kuin niiden etäisyys muista kappaleista. Tällaisissa kappaleissa on pistemäinen sähkövaraus. Fysikaalisia ongelmia ratkaistaessa kyseisten kappaleiden mitat jätetään huomiotta, koska niillä ei ole suurta merkitystä.

Käytännössä lepopistevaraukset esitetään seuraavasti:

Pistemäinen positiivisesti varattu varaus q1. Pisteen positiivisesti varattu varaus q2.

Tässä tapauksessa q₁ ja q₂ - ovat positiivinen sähkövaraukset, ja niihin vaikuttaa Coulombin voima (ei kuvassa). Pisteobjektien koolla ei ole merkitystä.

Huom! Lepovaraukset sijaitsevat tietyllä etäisyydellä toisistaan, jota ongelmissa yleensä merkitään kirjaimella r. Näitä maksuja tarkastellaan jäljempänä tyhjiössä.

Charles Coulombin vääntöasteikot

Tämä Coulombin vuonna 1777 kehittämä laite auttoi johtamaan myöhemmin hänen mukaansa nimetyn voiman riippuvuuden. Sitä käytetään pistevarausten ja magneettisten napojen vuorovaikutuksen tutkimiseen.

Vääntövaakoissa on pieni, pystysuoraan tasoon sijoitettu silkkilanka, johon tasapainotettu vipu ripustetaan. Vivun päissä on pistevarauksia.

Ulkoisten voimien vaikutuksesta vipu alkaa tehdä vaakasuoria liikkeitä. Vipu liikkuu tasossa, kunnes se on tasapainossa langan kimmoisan voiman kanssa.

Liikkeen aikana vipu taipuu pystyakselista tietyssä kulmassa. Tämä on d, ja sitä kutsutaan kiertokulmaksi. Kun tiedät tämän parametrin arvon, voit määrittää voimien vääntömomentin.

Lue myös: Mikä on sähkövirta yksinkertaisin termein

Charles Coulombin vääntöasteikot näyttävät seuraavalta:

Charles Coulombin vääntöasteikot.

Suhteellisuuskerroin k ja sähköinen vakio $\varepsilon_0$

Coulombin lain kaavassa on parametrit k - suhteellisuuskerroin tai $\varepsilon_0$ - sähköinen vakio. Sähköinen vakio $\varepsilon_0$ esitetään monissa hakuteoksissa, oppikirjoissa ja internetissä, eikä sitä tarvitse laskea! Suhteellisuuskerroin tyhjiössä, joka perustuu $\varepsilon_0$ voidaan löytää tunnetun kaavan mukaisesti:

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

Tässä $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - sähköinen vakio,

${\pi=3.14$ - pi:n luku,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - on suhteellisuuskerroin tyhjiössä.

Lisätietoja! Ilman edellä mainittujen parametrien tuntemista ei ole mahdollista määrittää kahden pistemäisen sähkövarauksen välistä vuorovaikutusvoimaa.
Coulombin lain muotoilu ja kaava

Yhteenvetona edellä esitetystä olisi esitettävä sähköstaattisen lain muodollinen muotoilu. Tämä tapahtuu muodossa:

Kahden tyhjiössä lepäävän pistevarauksen vuorovaikutusvoima on suoraan verrannollinen näiden varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Ja latausten tulo on otettava modulo!

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

Tässä kaavassa q₁ ja q₂- ovat pistevarauksia, tarkasteltavat kappaleet; r² - on näiden kappaleiden välinen etäisyys tasossa neliönä; k on suhteellisuustekijä ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ tyhjiössä).

Coulombin voiman suunta ja kaavan vektorimuoto

Jotta kaava olisi täysin ymmärrettävissä, Coulombin laki voidaan esittää visuaalisesti:

Coulombin voiman suunta kahdelle saman napaisuuden omaavalle pistevaraukselle.

F_1,2- on ensimmäisen varauksen vuorovaikutusvoima toiseen varaukseen nähden.

F_2,1- on toisen varauksen vuorovaikutusvoima ensimmäisen varauksen suhteen.

Tärkeä sääntö, joka on otettava huomioon sähköstaattisia ongelmia ratkaistaessa, on myös se, että samankaltaiset varaukset hylkivät ja samankaltaiset varaukset vetävät puoleensa. Tämä määrittää vuorovaikutusvoimien sijainnin kuvassa.

Jos tarkastellaan vastakkaisia varauksia, vuorovaikutusvoimat suuntautuvat toisiaan kohti ja edustavat niiden vetovoimaa.

Coulombin voiman suunta kahdelle eri napaisuuden omaavalle pistevaraukselle.

Sähköstaattisen peruslain kaava voidaan esittää vektorimuodossa seuraavasti

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

$\vec F_1_2$ - Pistevaraukseen q1 vaikuttava voima, varauksen puolella q2,

${\vec r_1_2}$ - on sädevektori, joka yhdistää varauksen q2 varaukseen q1,

Lue myös: Miten tehdä elektroninen piirilevy kotona?

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

Tärkeää! Kun kaava kirjoitetaan vektorimuodossa, kahden pistemäisen sähkövarauksen vuorovaikutusvoimat on projisoitava akselille, jotta merkit voidaan sijoittaa oikein. Tämä toimenpide on muodollisuus, ja se tehdään usein henkisesti ilman muistiinpanoja.

Coulombin lain soveltaminen käytännössä

Sähköstaattisen peruslaki on Charles Coulombin tärkein löytö, jota on sovellettu monilla aloilla.

Kuuluisan fyysikon työtä käytettiin erilaisten laitteiden, välineiden ja kojeiden keksimisessä. Esimerkiksi ukkosenjohdatin.

Ukkosenjohdattimia käytetään suojaamaan taloja ja rakennuksia salamoinnilta ukkosmyrskyjen aikana. Tämä parantaa sähkölaitteiden suojaustasoa.

Ukkosenjohdattimet toimivat seuraavalla periaatteella: ukkosmyrskyn aikana maahan kertyy vähitellen voimakkaita induktiovarauksia, jotka sitten siirtyvät ylöspäin ja vetäytyvät pilviin. Tämä synnyttää suuren sähkökentän maahan. Lähellä ukkosenjohdinta sähkökenttä voimistuu, jolloin laitteen kärjestä syttyy koronasähkövaraus.

Tällöin maahan muodostunut varaus vetää puoleensa pilvessä olevaa varausta vastakkaisella merkillä, kuten Coulombin lain mukaan pitäisi tapahtua. Tämän jälkeen ilma ionisoituu, ja sähkökentän voimakkuus pienenee lähellä ukkosenjohdattimen päätä. Näin ollen riski salaman iskeytymisestä rakennukseen on minimaalinen.

Huomaa! Jos rakennukseen, johon on asennettu ukkosenjohdatin, osuu, ei syty tulipaloa, vaan kaikki energia karkaa maahan.

Coulombin lakiin perustuva laite nimeltä "hiukkaskiihdytin" on kehitetty, ja sillä on nykyään suuri kysyntä.

Tämä laite luo voimakkaan sähkökentän, joka lisää siihen tulevien hiukkasten energiaa.

Voimien suunta Coulombin laissa.

Kuten edellä todettiin, kahden pistemäisen sähkövarauksen vuorovaikutusvoimien suunta riippuu niiden napaisuudesta. Toisin sanoen saman napaisuuden omaavat samankaltaiset varaukset hylkivät toisiaan ja vastakkaisen napaisuuden omaavat varaukset vetävät toisiaan puoleensa.

Lue myös: Kuinka tehdä metallinpaljastin omin käsin, aloittelijan apu

Coulombin voimia voidaan kutsua myös sädevektoriksi, koska ne suuntautuvat niiden välille piirrettyä viivaa pitkin.

Joissakin fysiikan ongelmissa annetaan monimutkaisen muotoisia kappaleita, joita ei voida pitää pistemäisenä sähkövarauksena, eli niiden mitat jätetään huomiotta. Tällaisessa tilanteessa kyseinen kappale olisi jaettava useisiin pieniin osiin ja jokainen osa olisi laskettava erikseen Coulombin lakia soveltaen.

Hajottamalla ne saadut voimavektorit lasketaan yhteen algebran ja geometrian sääntöjen mukaisesti. Tuloksena on syntyvä voima, joka on vastaus ongelmaan. Tätä ratkaisumenetelmää kutsutaan usein kolmiomenetelmäksi.

Coulombin voimavektoreiden suunta.

Lain löytämisen historia

Charles Coulomb todisti ensimmäisen kerran vuonna 1785, että kahden pistemäisen varauksen vuorovaikutus on edellä mainitun lain mukainen. Fyysikko onnistui osoittamaan muotoillun lain paikkansapitävyyden käyttämällä vääntövaakoja, joiden periaate esiteltiin myös artikkelissa.

Coulomb todisti myös, että pallomaisen kondensaattorin sisällä ei ole sähkövarausta. Näin hän päätyi toteamukseen, jonka mukaan sähköstaattisten voimien suuruutta voidaan muuttaa muuttamalla kyseisten kappaleiden välistä etäisyyttä.

Coulombin laki on siis edelleen tärkein sähköstaattisen lainalaisuus, jonka perusteella on tehty monia suuria löytöjä. Tässä artikkelissa esitellään lain virallinen muotoilu ja kuvataan yksityiskohtaisesti sen osatekijöitä.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: