Legge di Coulomb, definizione e formula - cariche elettriche puntiformi e loro interazione

C'è una forza di interazione tra i corpi carichi, attraverso la quale possono attrarsi o respingersi a vicenda. La legge di Coulomb descrive questa forza e mostra la misura in cui essa agisce secondo la dimensione e la forma del corpo stesso. Questa legge fisica sarà trattata in questo articolo.

Formula della legge di Coulomb.

Contenuto

1 Cariche puntiformi stazionarie
2 Le scale di torsione di Charles Coulomb
3 Il coefficiente di proporzionalità k e la costante elettrica
4 Direzione della forza di Coulomb e formulazione vettoriale
5 Dove si applica in pratica la legge di Coulomb
6 La direzione della forza nella legge di Coulomb
7 Storia della scoperta

Cariche puntiformi stazionarie

La legge di Coulomb si applica a corpi stazionari la cui dimensione è molto più piccola della loro distanza da altri oggetti. C'è una carica elettrica puntiforme su tali corpi. Quando si risolvono problemi fisici, le dimensioni dei corpi in questione vengono trascurate perché non hanno molta importanza.

In pratica, le cariche puntiformi a riposo sono rappresentate come segue:

Una carica positiva puntiforme q1. Punto carica positiva q2.

In questo caso q₁ e q₂ - sono positivo cariche elettriche e sono influenzate dalla forza di Coulomb (non mostrata in figura). La dimensione degli oggetti puntuali non ha importanza.

Nota! Le cariche a riposo si trovano a una data distanza l'una dall'altra, che nei problemi è di solito indicata dalla lettera r. Più avanti nel documento queste accuse saranno considerate nel vuoto.

Le scale di torsione di Charles Coulomb

Questo apparato, sviluppato da Coulomb nel 1777, aiutò a derivare la dipendenza della forza che poi prese il suo nome. Viene utilizzato per studiare l'interazione delle cariche puntiformi e dei poli magnetici.

Le bilance a torsione hanno un piccolo filo di seta, posto in un piano verticale, su cui pende una leva bilanciata. Ci sono cariche puntuali alle estremità della leva.

Sotto l'azione di forze esterne, la leva comincia a fare movimenti orizzontali. La leva si muoverà nel piano finché non sarà bilanciata dalla forza elastica del filo.

Nel processo di movimento la leva devia dall'asse verticale con un certo angolo. Questo è preso come d ed è chiamato l'angolo di rotazione. Conoscendo il valore di questo parametro, è possibile trovare la coppia delle forze che si verificano.

Le scale di torsione di Charles Coulomb appaiono come segue:

Le scale di torsione di Charles Coulomb.

Il coefficiente di proporzionalità k e la costante elettrica $\varepsilon_0$

La formula della legge di Coulomb ha parametri k - il coefficiente di proporzionalità o $\varepsilon_0$ - costante elettrica. La costante elettrica $\varepsilon_0$ è presentato in molti libri di riferimento, libri di testo, internet e non ha bisogno di essere calcolato! Il coefficiente di proporzionalità nel vuoto basato su $\varepsilon_0$ può essere trovato secondo la nota formula:

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

Qui $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - costante elettrica,

${3.14$ - il numero di pi greco,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - è il coefficiente di proporzionalità nel vuoto.

Più informazioni! Senza conoscere i parametri di cui sopra non è possibile trovare la forza di interazione tra due cariche elettriche puntiformi.
Formulazione e formula della legge di Coulomb

Per riassumere quanto sopra, è necessario dare una formulazione formale della legge principale dell'elettrostatica. Questo prende la forma:

La forza di interazione di due cariche puntiformi a riposo nel vuoto è direttamente proporzionale al prodotto di queste cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. E il prodotto delle cariche deve essere preso modulo!

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

In questa formula q₁ e q₂- sono cariche puntiformi, i corpi considerati; r² - è la distanza su un piano tra questi corpi, presa come un quadrato; k è il fattore di proporzionalità ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ per un vuoto).

La direzione della forza di Coulomb e la forma vettoriale della formula

Per comprendere appieno la formula, la legge di Coulomb può essere rappresentata visivamente:

Direzione della forza di Coulomb per due cariche puntiformi della stessa polarità.

F_1,2- è la forza di interazione della prima carica rispetto alla seconda.

F_2,1- è la forza di interazione della seconda carica rispetto alla prima.

Un'altra regola importante da considerare quando si risolvono problemi di elettrostatica è che le cariche simili si respingono e quelle simili si attraggono. Questo determina la posizione delle forze di interazione nella figura.

Se si considerano cariche opposte, le forze di interazione saranno dirette l'una verso l'altra, rappresentando la loro attrazione.

Direzione della forza di Coulomb per due cariche puntiformi di diversa polarità.

La formula della legge fondamentale dell'elettrostatica può essere rappresentata in forma vettoriale come segue

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

$\vec F_1_2$ - La forza che agisce sulla carica puntiforme q1, sul lato della carica q2,

${\vec r_1_2}$ - è il vettore raggio che collega la carica q2 alla carica q1,

$r==||vec r_1_2||$

Importante! Scrivendo la formula in forma vettoriale, le forze interagenti di due cariche elettriche puntiformi dovranno essere proiettate sull'asse per mettere i segni correttamente. Questa azione è una formalità e spesso viene fatta mentalmente senza alcuna nota.

Dove si applica in pratica la legge di Coulomb

La legge fondamentale dell'elettrostatica è la scoperta più importante di Charles Coulomb, che ha trovato applicazione in molti campi.

Il lavoro del famoso fisico è stato utilizzato nel processo di invenzione di vari dispositivi, strumenti e apparati. Per esempio, il parafulmine.

I parafulmini sono utilizzati per proteggere case ed edifici dai fulmini durante i temporali. Questo aumenta il grado di protezione delle apparecchiature elettriche.

I parafulmini funzionano in base al seguente principio: in un temporale si accumulano gradualmente forti cariche di induzione sul terreno, che vengono poi trasportate verso l'alto e attirate verso le nuvole. Questo genera un grande campo elettrico sul terreno. Vicino al parafulmine, il campo elettrico diventa più forte, così che una carica elettrica a corona si accende dalla punta del dispositivo.

La carica formata a terra è quindi attratta dalla carica sulla nuvola con segno opposto, come dovrebbe essere secondo la legge di Coulomb. L'aria subisce quindi un processo di ionizzazione e l'intensità del campo elettrico diventa più bassa vicino all'estremità del parafulmine. Così, il rischio che un fulmine colpisca l'edificio è minimo.

Si prega di notare! Se un edificio su cui è installato un parafulmine viene colpito, non ci sarà nessun incendio, ma tutta l'energia sfuggirà nel terreno.

Sulla base della legge di Coulomb, un dispositivo chiamato "acceleratore di particelle" è stato sviluppato ed è oggi molto richiesto.

Questo dispositivo crea un forte campo elettrico, che aumenta l'energia delle particelle che vi entrano.

La direzione delle forze nella legge di Coulomb

Come detto sopra, la direzione delle forze interagenti di due cariche elettriche puntiformi dipende dalla loro polarità. Cioè, cariche simili con la stessa polarità si respingono e cariche con polarità opposta si attraggono.

Le forze di Coulomb possono anche essere chiamate un vettore di raggio perché sono diretti lungo una linea tracciata tra di loro.

In alcuni problemi di fisica, si danno corpi di forma complessa che non possono essere presi come una carica elettrica puntiforme, cioè si trascurano le sue dimensioni. In una tale situazione, il corpo in questione dovrebbe essere scomposto in diverse piccole parti e ogni parte dovrebbe essere calcolata separatamente, applicando la legge di Coulomb.

I vettori di forza ottenuti dalla loro scomposizione si sommano secondo le regole dell'algebra e della geometria. Il risultato è la forza risultante, che è la risposta al problema. Questo metodo di soluzione è spesso chiamato metodo del triangolo.

Direzione dei vettori della forza di Coulomb.

Storia della scoperta della legge

L'interazione di due cariche puntiformi secondo la legge discussa sopra fu dimostrata per la prima volta nel 1785 da Charles Coulomb. Il fisico riuscì a provare la verità della legge formulata utilizzando le scale di torsione, il cui principio è stato presentato anche nell'articolo.

Coulomb ha anche dimostrato che non c'è carica elettrica all'interno di un condensatore sferico. È così che arrivò all'affermazione che la grandezza delle forze elettrostatiche può essere cambiata cambiando la distanza tra i corpi in questione.

Così la legge di Coulomb è ancora la legge più importante dell'elettrostatica, sulla base della quale sono state fatte molte grandi scoperte. In questo articolo, è stata presentata la formulazione ufficiale della legge, e le sue parti costitutive sono state descritte in dettaglio.