Loi de Coulomb, définition et formule - charges électriques ponctuelles et leur interaction.

Il existe une force d'interaction entre les corps chargés, grâce à laquelle ils peuvent s'attirer ou se repousser mutuellement. La loi de Coulomb décrit cette force et montre dans quelle mesure elle agit en fonction de la taille et de la forme du corps lui-même. Cette loi physique sera traitée dans cet article.

La formule de la loi de Coulomb.

Contenu

1 Charges ponctuelles stationnaires
2 Les échelles de torsion de Charles Coulomb
3 Le coefficient de proportionnalité k et la constante électrique
4 Direction de la force de Coulomb et formulation du vecteur
5 Où la loi de Coulomb s'applique en pratique
6 La direction de la force dans la loi de Coulomb
7 Histoire de la découverte

Charges ponctuelles stationnaires

La loi de Coulomb s'applique aux corps stationnaires dont la taille est beaucoup plus petite que leur distance par rapport aux autres objets. Il existe une charge électrique ponctuelle sur ces corps. Lors de la résolution de problèmes physiques, les dimensions des corps en question sont négligées car elles n'ont pas beaucoup d'importance.

Dans la pratique, les charges ponctuelles au repos sont représentées comme suit :

Une charge ponctuelle positive q1. Point de charge positive q2.

Dans ce cas, q₁ et q₂ - sont positif charges électriques et ils sont affectés par la force de Coulomb (non représentée sur la figure). La taille des objets ponctuels n'a pas d'importance.

Note ! Les charges au repos sont situées à une distance donnée les unes des autres, qui est généralement désignée par la lettre r dans les problèmes. Plus loin dans ce document, ces charges seront examinées dans le vide.

Les échelles de torsion de Charles Coulomb

Cet appareil, mis au point par Coulomb en 1777, a permis de déduire la dépendance de la force qui portera plus tard son nom. Il est utilisé pour étudier l'interaction des charges ponctuelles ainsi que des pôles magnétiques.

Les balances de torsion comportent un petit fil de soie, placé dans un plan vertical, sur lequel est suspendu un levier équilibré. Il y a des charges ponctuelles aux extrémités du levier.

Sous l'action de forces extérieures, le levier commence à effectuer des mouvements horizontaux. Le levier se déplace dans le plan jusqu'à ce qu'il soit équilibré par la force élastique du fil.

Au cours du mouvement, le levier dévie de l'axe vertical selon un certain angle. Cette valeur est considérée comme d et est appelée l'angle de rotation. En connaissant la valeur de ce paramètre, vous pouvez trouver le couple des forces qui se produisent.

Les échelles de torsion de Charles Coulomb se présentent comme suit :

Les échelles de torsion de Charles Coulomb.

Le coefficient de proportionnalité k et la constante électrique $\varepsilon_0$

La formule de la loi de Coulomb comporte des paramètres k - le coefficient de proportionnalité ou $\varepsilon_0$ - la constante électrique. La constante électrique $\varepsilon_0$ est présenté dans de nombreux ouvrages de référence, manuels, internet et il n'a pas besoin d'être calculé ! Le coefficient de proportionnalité dans un vide basé sur $\varepsilon_0$ peut être trouvé selon la formule bien connue :

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

Ici $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - constante électrique,

${\pi=3.14$ - le nombre de pi,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - est le coefficient de proportionnalité dans le vide.

Informations complémentaires ! Sans connaître les paramètres ci-dessus, il n'est pas possible de trouver la force d'interaction entre deux charges électriques ponctuelles.
Formulation et formule de la loi de Coulomb

Pour résumer ce qui précède, il convient de donner une formulation formelle de la loi principale de l'électrostatique. Cela prend la forme :

La force d'interaction de deux charges ponctuelles au repos dans le vide est directement proportionnelle au produit de ces charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Et le produit des charges doit être pris modulo !

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

Dans cette formule, q₁ et q₂- sont des charges ponctuelles, les corps considérés ; r² - est la distance sur un plan entre ces corps, prise comme un carré ; k est le facteur de proportionnalité ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ pour un vide).

La direction de la force de Coulomb et la forme vectorielle de la formule

Pour bien comprendre la formule, la loi de Coulomb peut être représentée visuellement :

Direction de la force de Coulomb pour deux charges ponctuelles de même polarité.

F_1,2- est la force d'interaction de la première charge par rapport à la seconde.

F_2,1- est la force d'interaction de la seconde charge par rapport à la première.

Une autre règle importante à prendre en compte lors de la résolution de problèmes d'électrostatique est que les charges semblables se repoussent et que les charges semblables s'attirent. Cela détermine la position des forces d'interaction dans la figure.

Si des charges opposées sont considérées, les forces d'interaction seront dirigées l'une vers l'autre, représentant leur attraction.

Direction de la force de Coulomb pour deux charges ponctuelles de polarité différente.

La formule de la loi fondamentale de l'électrostatique peut être représentée sous forme vectorielle comme suit

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

$\vec F_1_2$ - La force agissant sur la charge ponctuelle q1, du côté de la charge q2,

${\vec r_1_2}$ - est le rayon-vecteur reliant la charge q2 à la charge q1,

$r=||||vec r_1_2|$

Important ! En écrivant la formule sous forme vectorielle, les forces d'interaction de deux charges électriques ponctuelles devront être projetées sur l'axe pour placer les signes correctement. Cette action est une formalité et est souvent effectuée mentalement sans aucune note.

Où la loi de Coulomb s'applique en pratique

La loi fondamentale de l'électrostatique est la découverte la plus importante de Charles Coulomb, qui a trouvé son application dans de nombreux domaines.

Les travaux du célèbre physicien ont été utilisés dans le processus d'invention de divers dispositifs, instruments et appareils. Par exemple, le paratonnerre.

Les paratonnerres sont utilisés pour protéger les maisons et les bâtiments de la foudre pendant les orages. Cela augmente le degré de protection de l'équipement électrique.

Les paratonnerres fonctionnent selon le principe suivant : de fortes charges d'induction s'accumulent progressivement sur le sol lors d'un orage et sont ensuite transportées vers le haut, dans les nuages. Cela génère un champ électrique important sur le sol. À proximité du paratonnerre, le champ électrique devient plus fort, de sorte qu'une charge électrique en couronne s'enflamme à partir de la pointe du dispositif.

La charge formée sur le sol est alors attirée par la charge du nuage avec le signe opposé, comme cela devrait être le cas selon la loi de Coulomb. L'air subit alors un processus d'ionisation et l'intensité du champ électrique devient plus faible à proximité de l'extrémité du paratonnerre. Ainsi, le risque que la foudre frappe le bâtiment est minime.

Veuillez noter ! Si un bâtiment sur lequel est installé un paratonnerre est frappé, il n'y aura pas d'incendie et toute l'énergie s'échappera dans le sol.

Sur la base de la loi de Coulomb, un appareil appelé "accélérateur de particules" a été mis au point et est très demandé aujourd'hui.

Cet appareil crée un champ électrique puissant, qui augmente l'énergie des particules qui y pénètrent.

La direction des forces dans la loi de Coulomb

Comme indiqué ci-dessus, la direction des forces d'interaction de deux charges électriques ponctuelles dépend de leur polarité. En d'autres termes, des charges similaires de même polarité se repoussent et des charges de polarité opposée s'attirent.

Les forces de Coulomb peuvent aussi être appelées un vecteur rayon parce que ils sont dirigés le long d'une ligne tracée entre eux.

Dans certains problèmes de physique, des corps de forme complexe sont donnés qui ne peuvent pas être pris comme une charge électrique ponctuelle, c'est-à-dire que leurs dimensions sont négligées. Dans une telle situation, le corps en question doit être décomposé en plusieurs petites parties et chaque partie doit être calculée séparément, en appliquant la loi de Coulomb.

Les vecteurs de force obtenus en les décomposant sont additionnés selon les règles de l'algèbre et de la géométrie. Le résultat est la force résultante, qui est la réponse au problème. Cette méthode de résolution est souvent appelée la méthode des triangles.

Direction des vecteurs de la force de Coulomb.

Histoire de la découverte du droit

L'interaction de deux charges ponctuelles selon la loi décrite ci-dessus a été prouvée pour la première fois en 1785 par Charles Coulomb. Le physicien a réussi à prouver la véracité de la loi formulée en utilisant des échelles de torsion, dont le principe était également présenté dans l'article.

Coulomb a également prouvé qu'il n'y a pas de charge électrique à l'intérieur d'un condensateur sphérique. C'est ainsi qu'il est arrivé à l'affirmation selon laquelle la magnitude des forces électrostatiques peut être modifiée en changeant la distance entre les corps en question.

Ainsi, la loi de Coulomb reste la loi la plus importante de l'électrostatique, sur la base de laquelle de nombreuses grandes découvertes ont été faites. Dans cet article, la formulation officielle de la loi a été présentée et ses éléments constitutifs ont été décrits en détail.