Coulombov zákon, definícia a vzorec - elektrické bodové náboje a ich interakcia

Medzi nabitými telesami existuje interakčná sila, ktorou sa môžu navzájom priťahovať alebo odpudzovať. Coulombov zákon opisuje túto silu a ukazuje, do akej miery pôsobí v závislosti od veľkosti a tvaru samotného telesa. Týmto fyzikálnym zákonom sa budeme zaoberať v tomto článku.

Vzorec Coulombovho zákona.

Obsah

1 Stacionárne bodové nálože
2 Torzné váhy Charlesa Coulomba
3 Koeficient proporcionality k a elektrická konštanta
4 Smer Coulombovej sily a vektorová formulácia
5 Kde sa Coulombov zákon uplatňuje v praxi
6 Smer sily v Coulombovom zákone
7 História objavov

Stacionárne bodové nálože

Coulombov zákon platí pre nehybné telesá, ktorých veľkosť je oveľa menšia ako ich vzdialenosť od iných objektov. Na takýchto telesách je bodový elektrický náboj. Pri riešení fyzikálnych problémov sa rozmery daných telies zanedbávajú, pretože nemajú veľký význam.

V praxi sa pokojové bodové náboje reprezentujú takto:

Bodový kladne nabitý náboj q1. Bodový kladne nabitý náboj q2.

V tomto prípade q₁ a q₂ - sú pozitívne elektrické náboje a pôsobí na ne Coulombova sila (na obrázku nie je znázornená). Na veľkosti bodových objektov nezáleží.

Poznámka! Kľudové náboje sa nachádzajú v určitej vzdialenosti od seba, ktorá sa v problémoch zvyčajne označuje písmenom r. V ďalšej časti dokumentu sa tieto poplatky budú posudzovať vo vákuu.

Torzné váhy Charlesa Coulomba

Tento prístroj, ktorý Coulomb vyvinul v roku 1777, pomohol odvodiť závislosť sily, ktorá bola neskôr pomenovaná po ňom. Používa sa na štúdium interakcie bodových nábojov, ako aj magnetických pólov.

Torzné váhy majú malé hodvábne vlákno umiestnené vo vertikálnej rovine, na ktorom visí vyvážená páka. Na koncoch páky sú bodové nálože.

Pôsobením vonkajších síl začne páka vykonávať horizontálne pohyby. Páka sa bude pohybovať v rovine, kým ju nevyváži pružná sila závitu.

Pri pohybe sa páka vychýli zo zvislej osi pod určitým uhlom. Tento uhol sa považuje za d a nazýva sa uhol natočenia. Ak poznáte hodnotu tohto parametra, môžete zistiť krútiaci moment pôsobiacich síl.

Prečítajte si tiež: Čo je to elektrický prúd v jednoduchosti

Torzné stupnice Charlesa Coulomba vyzerajú takto:

Torzné váhy Charlesa Coulomba.

Koeficient proporcionality k a elektrická konštanta $\varepsilon_0$

Vzorec Coulombovho zákona má parametre k - koeficient proporcionality alebo $\varepsilon_0$ - elektrická konštanta. Elektrická konštanta $\varepsilon_0$ je uvedený v mnohých referenčných knihách, učebniciach, na internete a nie je potrebné ho počítať! Koeficient proporcionality vo vákuu na základe $\varepsilon_0$ možno zistiť podľa známeho vzorca:

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

Tu $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{ -12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ - elektrická konštanta,

${\pi=3,14$ - číslo pí,

$k=9{cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ - je koeficient proporcionality vo vákuu.

Viac informácií! Bez znalosti uvedených parametrov nie je možné zistiť interakčnú silu medzi dvoma bodovými elektrickými nábojmi.
Formulácia a vzorec Coulombovho zákona

Na zhrnutie vyššie uvedeného je potrebné uviesť formálnu formuláciu hlavného zákona elektrostatiky. Má podobu:

Interakčná sila dvoch pokojových bodových nábojov vo vákuu je priamo úmerná súčinu týchto nábojov a nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti medzi nimi. A súčin nábojov sa musí brať modulo!

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

V tomto vzorci q₁ a q₂- sú bodové náboje, uvažované telesá; r² - je vzdialenosť v rovine medzi týmito telesami, ktorá sa berie ako štvorec; k je faktor úmernosti ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ pre vákuum).

Smer Coulombovej sily a vektorový tvar vzorca

Aby sme tento vzorec plne pochopili, Coulombov zákon môžeme znázorniť vizuálne:

Smer Coulombovej sily pre dva bodové náboje rovnakej polarity.

F_1,2- je interakčná sila prvého náboja voči druhému.

F_2,1- je interakčná sila druhého náboja vzhľadom na prvý.

Pri riešení úloh z elektrostatiky je tiež dôležité zohľadniť pravidlo, že podobné náboje sa odpudzujú a podobné náboje sa priťahujú. To určuje polohu interakčných síl na obrázku.

Ak uvažujeme opačné náboje, interakčné sily budú smerovať k sebe, čo predstavuje ich vzájomnú príťažlivosť.

Smer Coulombovej sily pre dva bodové náboje rôznej polarity.

Vzorec pre základný zákon elektrostatiky možno znázorniť vo vektorovej forme takto

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

$\vec F_1_2$ - Sila pôsobiaca na bodový náboj q1 na strane náboja q2,

${\vec r_1_2}$ - je polomerný vektor spájajúci náboj q2 s nábojom q1,

Prečítajte si tiež: Ako si doma vyrobiť dosku s elektronickými obvodmi?

$r=|||\vec r_1_2|$

Dôležité! Ak vzorec zapíšeme vo vektorovom tvare, vzájomné pôsobenie síl dvoch bodových elektrických nábojov sa musí premietnuť na os, aby sa správne dosadili znamienka. Tento úkon je formálny a často sa vykonáva v mysli bez akýchkoľvek poznámok.

Kde sa Coulombov zákon uplatňuje v praxi

Základný zákon elektrostatiky je najdôležitejším objavom Charlesa Coulomba, ktorý našiel uplatnenie v mnohých oblastiach.

Práca slávneho fyzika bola využitá pri vynájdení rôznych zariadení, prístrojov a zariadení. Napríklad bleskozvod.

Bleskozvody sa používajú na ochranu domov a budov pred bleskom počas búrky. Tým sa zvyšuje stupeň ochrany elektrických zariadení.

Bleskozvody fungujú na tomto princípe: počas búrky sa na zemi postupne hromadia silné indukčné náboje, ktoré sa potom prenášajú do oblakov. Tým sa na zemi vytvára veľké elektrické pole. V blízkosti bleskozvodu sa elektrické pole zosilní, takže na hrote zariadenia sa zapáli elektrický náboj koróny.

Náboj vytvorený na zemi je potom priťahovaný nábojom na oblaku s opačným znamienkom, ako by to malo byť podľa Coulombovho zákona. Vzduch potom prechádza procesom ionizácie a intenzita elektrického poľa sa v blízkosti konca bleskozvodu znižuje. Riziko úderu blesku do budovy je tak minimálne.

Upozornenie! Ak do budovy, na ktorej je nainštalovaný bleskozvod, udrie blesk, nevznikne požiar, ale všetka energia unikne do zeme.

Na základe Coulombovho zákona bolo vyvinuté zariadenie s názvom "urýchľovač častíc", ktoré je dnes veľmi žiadané.

Toto zariadenie vytvára silné elektrické pole, ktoré zvyšuje energiu častíc, ktoré doň vstupujú.

Smer síl v Coulombovom zákone

Ako už bolo uvedené, smer vzájomného pôsobenia síl dvoch bodových elektrických nábojov závisí od ich polarity. To znamená, že podobné náboje s rovnakou polaritou sa odpudzujú a náboje s opačnou polaritou sa priťahujú.

Prečítajte si tiež: Ako vytvoriť detektor kovov vlastnými rukami, pomoc pre začiatočníkov

Coulombove sily možno nazvať aj vektorom polomeru, pretože smerujú pozdĺž čiary, ktorá je medzi nimi nakreslená.

V niektorých fyzikálnych úlohách sú dané telesá zložitého tvaru, ktoré nemožno považovať za bodový elektrický náboj, t. j. zanedbávajú sa ich rozmery. V takejto situácii by sa príslušné teleso malo rozdeliť na niekoľko malých častí a každá časť by sa mala vypočítať samostatne s použitím Coulombovho zákona.

Vektory síl získané ich rozkladom sa sčítajú podľa pravidiel algebry a geometrie. Výsledkom je výsledná sila, ktorá je odpoveďou na problém. Tento spôsob riešenia sa často nazýva trojuholníková metóda.

Smer vektorov Coulombovej sily.

História objavu práva

Vzájomné pôsobenie dvoch bodových nábojov podľa vyššie uvedeného zákona prvýkrát dokázal v roku 1785 Charles Coulomb. Fyzikovi sa podarilo dokázať pravdivosť formulovaného zákona pomocou torzných váh, ktorých princíp bol tiež uvedený v článku.

Coulomb tiež dokázal, že vo vnútri guľového kondenzátora nie je žiadny elektrický náboj. Takto dospel k tvrdeniu, že veľkosť elektrostatických síl možno meniť zmenou vzdialenosti medzi danými telesami.

Coulombov zákon je teda stále najdôležitejším zákonom elektrostatiky, na základe ktorého sa uskutočnilo mnoho veľkých objavov. V tomto článku bola predstavená oficiálna formulácia zákona a podrobne opísané jeho jednotlivé časti.

Súvisiace články: