Legea lui Coulomb și aplicarea ei în inginerie electrică

La fel ca în mecanica newtoniană, interacțiunea gravitațională are loc întotdeauna între corpuri cu mase, similar electrodinamicii, interacțiunea electrică este caracteristică corpurilor cu sarcini electrice. Sarcina electrică este indicată prin simbolul «q» sau «Q».

Putem spune chiar că conceptul de sarcină electrică q în electrodinamică este oarecum similar cu conceptul de masă gravitațională m din mecanică. Dar, spre deosebire de masa gravitațională, sarcina electrică caracterizează proprietatea corpurilor și a particulelor de a intra în interacțiuni electromagnetice, iar aceste interacțiuni, după cum înțelegeți, nu sunt gravitaționale.

Sarcini electrice

Experiența umană în studiul fenomenelor electrice conține multe rezultate experimentale, iar toate aceste fapte au permis fizicienilor să ajungă la următoarele concluzii fără echivoc despre sarcinile electrice:

1. Sarcinile electrice sunt de două tipuri - în mod condiționat pot fi împărțite în pozitive și negative.

2.Sarcinile electrice pot fi transferate de la un obiect încărcat la altul: de exemplu, prin contactarea corpurilor între ele - sarcina dintre ele poate fi separată. În acest caz, sarcina electrică nu este deloc o componentă obligatorie a corpului: în condiții diferite, același obiect poate avea o sarcină de mărime și semn diferit sau poate să nu aibă nicio sarcină. Astfel, taxa nu este ceva inerent transportatorului și, în același timp, taxa nu poate exista fără purtător.

3. În timp ce corpurile gravitatoare se atrag mereu unele pe altele, sarcinile electrice se pot atrage și se resping reciproc. Sarcinile asemănătoare se atrag reciproc, sarcinile asemănătoare se resping.

Purtătorii de sarcină sunt electronii, protonii și alte particule elementare. Există două tipuri de sarcini electrice - pozitive și negative. Sarcinile pozitive sunt cele care apar pe geamul frecat cu piele. Negativ - Sarcini care apar pe chihlimbarul frecat cu blană. Autoritățile însărcinate cu acuzațiile cu același nume resping. Obiectele cu sarcini opuse se atrag reciproc.

Legea conservării sarcinii electrice este o lege fundamentală a naturii, se citește astfel: „suma algebrică a sarcinilor tuturor corpurilor dintr-un sistem izolat rămâne constantă”. Aceasta înseamnă că într-un sistem închis, apariția sau dispariția taxelor pentru un singur semn este imposibilă.

Suma algebrică a sarcinilor dintr-un sistem izolat este menținută constantă. Purtătorii de sarcină se pot deplasa de la un corp la altul sau se pot deplasa în interiorul unui corp, într-o moleculă, atom. Taxa este independentă de cadrul de referință.

Astăzi, opinia științifică este că inițial purtătorii de sarcină erau particule elementare.Particulele elementare neutronii (neutroni electric), protonii (încărcați pozitiv) și electronii (încărcați negativ) formează atomii.

Nucleele atomilor sunt formate din protoni și neutroni, iar electronii formează învelișurile atomilor. Modulele sarcinilor unui electron și unui proton sunt egale ca mărime cu sarcina elementară e, dar în semn sarcinile acestor particule sunt opuse una față de cealaltă.

Interacțiunea sarcinilor electrice — Legea lui Coulomb

În ceea ce privește interacțiunea directă a sarcinilor electrice între ele, atunci în 1785 fizicianul francez Charles Coulomb a stabilit și descris experimental această lege de bază a electrostaticii, legea de bază a naturii, care nu decurge din alte legi. În lucrarea sa, omul de știință studiază interacțiunea corpurilor staționare încărcate în puncte și măsoară forțele respingerii și atracției lor reciproce.

Coulomb a stabilit experimental următoarele: „Forțele de interacțiune ale sarcinilor staționare sunt direct proporționale cu produsul modulelor și invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele.”

Aceasta este formularea legii lui Coulomb. Și deși sarcinile punctuale nu există în natură, doar în ceea ce privește sarcinile punctiforme putem vorbi despre distanța dintre ele, în cadrul acestei formulări a legii lui Coulomb.

De fapt, dacă distanțele dintre corpuri depășesc semnificativ dimensiunile lor, atunci nici dimensiunea, nici forma corpurilor încărcate nu vor afecta în mod special interacțiunea lor, ceea ce înseamnă că corpurile pentru această problemă pot fi considerate în mod corect punctual.

Să ne uităm la un exemplu. Hai să atârnăm niște bile încărcate pe sfori.Pentru că sunt încărcate într-un fel, fie vor respinge, fie vor atrage. Deoarece forțele sunt direcționate de-a lungul unei linii drepte care leagă aceste corpuri, acestea sunt forțe centrale.

Pentru a desemna forțele care acționează asupra fiecărei sarcini din cealaltă, vom scrie: F12 este forța celei de-a doua sarcini asupra primei, F21 este forța primei sarcini asupra celei de-a doua, r12 este vectorul rază de la a doua. taxa punctuala la primul. Dacă sarcinile au același semn, atunci forța F12 va fi direcționată în comun către vectorul rază, dar dacă sarcinile au semne diferite, atunci forța F12 va fi direcționată împotriva vectorului rază.

Folosind legea interacțiunii sarcinilor punctiforme (Legea lui Coulomb), forța de interacțiune poate fi acum găsită pentru orice sarcini punctiforme sau corpuri de sarcină punctiforme. Dacă corpurile nu sunt în formă de punct, ele sunt împărțite mental în pasteluri de elemente, fiecare dintre acestea putând fi luate ca o încărcare punctiformă.

După ce s-au găsit forțele care acționează între toate elementele mici, aceste forțe se adună geometric - găsesc forța rezultantă. Particulele elementare interacționează între ele conform legii lui Coulomb și până în prezent nu s-au observat încălcări ale acestei legi fundamentale a electrostaticei.

Aplicarea legii lui Coulomb în inginerie electrică

Nu există niciun domeniu în inginerie electrică modernă în care legea lui Coulomb să nu funcționeze într-o formă sau alta. Începând cu un curent electric, terminând cu un condensator încărcat simplu. În special acele domenii care se ocupă de electrostatică - sunt 100% legate de legea lui Coulomb. Să ne uităm la doar câteva exemple.

Cel mai simplu caz este introducerea unui dielectric.Forța de interacțiune a sarcinilor în vid este întotdeauna mai mare decât forța de interacțiune a acelorași sarcini în condițiile în care este plasat un fel de dielectric între ele.

Constanta dielectrică a unui mediu este tocmai acea valoare care vă permite să determinați cantitativ valorile forțelor, indiferent de distanța dintre sarcini și mărimile acestora. Este suficient să împărțim forța de interacțiune a sarcinilor în vid la constanta dielectrică a dielectricului introdus - obținem forța de interacțiune în prezența unui dielectric.

Echipament de cercetare sofisticat - un accelerator de particule. Funcționarea acceleratoarelor de particule încărcate se bazează pe fenomenul de interacțiune a unui câmp electric și a particulelor încărcate. Câmpul electric lucrează în accelerator, crescând energia particulei.

Dacă considerăm aici particula accelerată ca o sarcină punctiformă, iar acțiunea câmpului electric accelerator al acceleratorului ca forță totală din alte sarcini punctiforme, atunci în acest caz se respectă pe deplin legea lui Coulomb. Câmpul magnetic direcționează particula numai prin forța Lorentz, dar nu își schimbă energia, ci doar stabilește traiectoria de mișcare a particulelor în accelerator.

Structuri electrice de protecție. Instalațiile electrice importante sunt întotdeauna echipate cu ceva la prima vedere la fel de simplu ca un paratrăsnet. Și paratrăsnetul în munca sa nu trece fără a respecta legea lui Coulomb. În timpul unei furtuni, pe Pământ apar sarcini induse mari - conform legii lui Coulomb, acestea sunt atrase în direcția norului de furtună. Rezultatul este un câmp electric puternic pe suprafața pământului.

Intensitatea acestui câmp este deosebit de mare în apropierea conductoarelor ascuțite și, prin urmare, o descărcare coronară este aprinsă la capătul ascuțit al paratrăsnetului - sarcina de pe Pământ tinde, respectând legea lui Coulomb, să fie atrasă de sarcina opusă a trăsnetului. nor.

Aerul din apropierea paratrăsnetului este puternic ionizat ca urmare a descărcării coronei. Ca urmare, puterea câmpului electric din apropierea vârfului scade (precum și în interiorul oricărui fir), sarcinile induse nu se pot acumula pe clădire și probabilitatea de fulger este redusă. Dacă fulgerul lovește paratrăsnetul, atunci încărcarea va merge pur și simplu pe Pământ și nu va deteriora instalația.