Hukum Coulomb, definisi dan rumus - muatan titik listrik dan interaksinya

Ada gaya interaksi antara benda-benda bermuatan, yang melaluinya mereka dapat menarik atau menolak satu sama lain. Hukum Coulomb menjelaskan gaya ini dan menunjukkan sejauh mana pengaruhnya tergantung pada ukuran dan bentuk benda itu sendiri. Hukum fisika ini akan dibahas dalam artikel ini.

Rumus Hukum Coulomb.

Isi

1 Biaya titik stasioner
2 Timbangan torsi Charles Coulomb
3 Koefisien proporsionalitas k dan konstanta listrik
4 Arah gaya Coulomb dan bentuk vektor dari rumus
5 Di mana hukum Coulomb diterapkan dalam praktik
6 Arah gaya dalam hukum Coulomb
7 Sejarah penemuan hukum

Biaya titik stasioner

Hukum Coulomb berlaku untuk benda diam yang ukurannya jauh lebih kecil daripada jaraknya dari benda lain. Ada muatan listrik titik terkonsentrasi pada tubuh tersebut. Saat memecahkan masalah fisik, ukuran tubuh yang bersangkutan diabaikan, karena tidak terlalu penting.

Dalam prakteknya, muatan titik istirahat digambarkan sebagai berikut:

Titik bermuatan positif q1. Titik bermuatan positif q2.

Dalam hal ini q₁ dan q₂ - adalah positif muatan listrik, dan gaya Coulomb bekerja padanya (tidak ditunjukkan pada gambar). Ukuran objek titik tidak masalah.

Catatan! Muatan diam terletak pada jarak tertentu satu sama lain, yang dalam soal biasanya dilambangkan dengan huruf r. Lebih lanjut dalam makalah ini kami akan mempertimbangkan biaya ini dalam ruang hampa.

Timbangan torsi Charles Coulomb

Perangkat ini, yang dikembangkan oleh Coulomb pada tahun 1777, membantu menurunkan ketergantungan kekuatan, yang kemudian dinamai menurut namanya. Ini digunakan untuk mempelajari interaksi muatan titik serta kutub magnet.

Sisik torsi memiliki benang sutra kecil, terletak di bidang vertikal, di mana tuas yang seimbang tergantung. Ada muatan titik di ujung tuas.

Di bawah aksi kekuatan eksternal, tuas mulai bergerak secara horizontal. Tuas akan bergerak dalam bidang sampai seimbang dengan gaya elastis benang.

Dalam proses gerakan, tuas menyimpang dari sumbu vertikal dengan sudut tertentu. Itu diambil sebagai d dan disebut sudut rotasi. Mengetahui nilai parameter ini, Anda dapat menemukan torsi gaya yang terjadi.

Skala torsi Charles Coulomb terlihat sebagai berikut:

Timbangan torsi Charles Coulomb.

Koefisien proporsionalitas k dan konstanta listrik $\varepsilon_0$

Rumus hukum Coulomb memiliki parameter k, koefisien proporsionalitas atau $\varepsilon_0$ - konstanta listrik. Konstanta listrik $\varepsilon_0$ disajikan dalam banyak buku referensi, buku teks, internet, dan itu tidak perlu dihitung! Koefisien proporsionalitas dalam ruang hampa berdasarkan $\varepsilon_0$ dapat ditemukan dengan menggunakan rumus terkenal:

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

Di Sini $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - konstanta listrik,

$\pi=3.14$ - nomor pi,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - koefisien proporsionalitas dalam ruang hampa.

Informasi tambahan! Tanpa mengetahui parameter di atas, tidak mungkin menemukan gaya interaksi antara dua muatan listrik titik.
Rumusan dan rumus hukum Coulomb

Untuk meringkas hal di atas, perlu untuk memberikan rumusan resmi hukum utama elektrostatika. Ini mengambil bentuk:

Gaya interaksi dua muatan titik istirahat dalam ruang hampa berbanding lurus dengan hasil kali muatan-muatan ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan-muatan tersebut. Dan produk dari muatan harus diambil modulo!

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

Dalam rumus ini q₁ dan q₂- adalah muatan titik, badan yang dipertimbangkan; r² - adalah jarak pada bidang antara benda-benda ini, diambil sebagai persegi; k adalah faktor proporsionalitas ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ untuk vakum).

Arah gaya Coulomb dan bentuk vektor dari rumus

Hukum Coulomb dapat digambarkan secara visual untuk memahami rumus:

Arah gaya Coulomb untuk dua muatan titik dengan polaritas yang sama.

F_1,2- adalah gaya interaksi muatan pertama terhadap muatan kedua.

F_2,1- adalah gaya interaksi muatan kedua terhadap muatan pertama.

Juga, ketika memecahkan masalah elektrostatika, perlu untuk mempertimbangkan aturan penting: muatan listrik dengan nama yang sama tolak-menolak dan muatan dengan nama yang berlawanan tarik-menarik. Ini menentukan lokasi gaya interaksi pada gambar.

Jika muatan berlawanan dipertimbangkan, gaya interaksi mereka akan diarahkan satu sama lain, mewakili daya tarik mereka.

Arah gaya Coulomb untuk dua muatan titik yang berbeda polaritasnya.

Rumus hukum dasar elektrostatika dalam bentuk vektor dapat direpresentasikan sebagai berikut:

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

$\{vec F_1_2}$ - Gaya yang bekerja pada muatan titik q1, pada sisi muatan q2,

${\vec r_1_2}$ - radius-vektor yang menghubungkan muatan q2 ke muatan q1,

$r=||\vec r_1_2|$

Penting! Setelah menulis rumus dalam bentuk vektor, gaya interaksi dua muatan listrik titik harus diproyeksikan pada sumbu untuk menempatkan tanda dengan benar. Tindakan ini adalah formalitas dan sering dilakukan secara mental tanpa catatan.

Di mana hukum Coulomb berlaku dalam praktik

Hukum dasar elektrostatika adalah penemuan terpenting Charles Coulomb, yang telah menemukan penerapannya di banyak bidang.

Karya fisikawan terkenal itu digunakan dalam proses penemuan berbagai perangkat, instrumen, peralatan. Misalnya penangkal petir.

Menggunakan penangkal petir, rumah dan bangunan dilindungi dari petir selama badai petir. Dengan demikian, tingkat perlindungan peralatan listrik meningkat.

Penangkal petir bekerja berdasarkan prinsip berikut: selama badai petir, muatan induksi yang kuat secara bertahap menumpuk di tanah, yang naik dan tertarik ke awan. Ini menciptakan medan listrik yang cukup besar di tanah. Di dekat penangkal petir, medan listrik menjadi lebih kuat, sehingga muatan listrik korona tersulut dari ujung alat.

Kemudian muatan yang terbentuk di tanah mulai tertarik ke muatan awan dengan tanda yang berlawanan, sebagaimana seharusnya menurut hukum Charles Coulomb. Kemudian udara terionisasi, dan kekuatan medan listrik menjadi lebih rendah di dekat ujung penangkal petir. Dengan demikian, risiko sambaran petir yang masuk ke dalam gedung menjadi minimal.

Tolong dicatat! Jika sebuah bangunan dengan penangkal petir tersambar, tidak akan ada api, dan semua energi masuk ke dalam tanah.

Berdasarkan hukum Coulomb, perangkat yang disebut "Akselerator Partikel" dikembangkan dan sangat diminati saat ini.

Perangkat ini menciptakan medan listrik yang kuat, yang meningkatkan energi partikel yang memasukinya.

Arah gaya dalam hukum Coulomb

Sebagaimana dinyatakan di atas, arah gaya interaksi dua muatan listrik titik bergantung pada polaritasnya. Artinya, muatan yang bertetangga akan tolak menolak dan muatan yang bertetangga akan tarik menarik.

Gaya Coulomb juga dapat disebut vektor jari-jari, karena sama dengan vektor jari-jari. mereka diarahkan sepanjang garis yang ditarik di antara mereka.

Dalam beberapa masalah fisik ada benda dengan bentuk yang kompleks, yang tidak dapat dianggap sebagai muatan listrik titik, yaitu mengabaikan ukurannya. Dalam situasi ini, tubuh yang bersangkutan harus dibagi menjadi beberapa bagian kecil dan setiap bagian harus dihitung secara terpisah, menerapkan hukum Coulomb.

Vektor gaya yang diperoleh dalam pembagian dijumlahkan dengan aturan aljabar dan geometri. Hasilnya adalah kekuatan yang dihasilkan, yang akan menjadi jawaban untuk masalah tersebut.Metode penyelesaian ini sering disebut sebagai metode segitiga.

Arah vektor gaya Coulomb.

Sejarah penemuan hukum

Interaksi dua muatan titik menurut hukum yang dibahas di atas pertama kali dibuktikan pada tahun 1785 oleh Charles Coulomb. Fisikawan berhasil membuktikan kebenaran hukum yang dirumuskan menggunakan skala torsi, yang prinsip operasinya juga disajikan dalam artikel.

Coulomb juga membuktikan bahwa tidak ada muatan listrik di dalam kapasitor berbentuk bola. Ini adalah bagaimana dia sampai pada pernyataan bahwa besarnya gaya elektrostatik dapat diubah dengan mengubah jarak antara benda-benda yang bersangkutan.

Jadi, hukum Coulomb masih merupakan hukum elektrostatika yang paling penting, yang menjadi dasar banyak penemuan besar. Di dalam pasal ini telah dikemukakan rumusan resmi undang-undang tersebut, dan bagian-bagian penyusunnya telah diuraikan secara rinci.