Elektrostatinės sąveikos jėgos priklauso nuo elektrifikuotų kūnų formos ir dydžio, taip pat nuo krūvio pasiskirstymo šiuose kūnuose pobūdžio. Kai kuriais atvejais galime nepaisyti įkrautų kūnų formos ir dydžio ir manyti, kad kiekvienas krūvis yra sutelktas viename taške. Taško mokestis yra elektros krūvis, kai kūno, kuriame šis krūvis sutelktas, dydis yra daug mažesnis už atstumą tarp įkrautų kūnų. Apytikslius taškinius įkrovimus galima gauti eksperimentiniu būdu, įkraunant, pavyzdžiui, gana mažus kamuoliukus.
Dviejų taškinių krūvių sąveika ramybės būsenoje lemia pagrindinį elektrostatikos dėsnį – Kulono dėsnis. Šį dėsnį 1785 metais eksperimentiškai nustatė prancūzų fizikas Charleso Augustino pakabukas(1736 – 1806). Kulono dėsnio formuluotė yra tokia:
Sąveikos galia dviejų taškų stacionarūs įkrauti kūnai vakuume yra tiesiogiai proporcingi krūvio modulių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui.
Ši sąveikos jėga vadinama Kulono jėga, Ir Kulono dėsnio formulė bus toks:
F = k (|q 1 | |q 2 |) / r 2
Kur |q1|, |q2| – įkrovos moduliai, r – atstumai tarp krūvių, k – proporcingumo koeficientas.
Koeficientas k SI paprastai rašomas tokia forma:
K = 1 / (4πε 0 ε)
Kur ε 0 = 8,85 * 10 -12 C/N*m 2 – elektrinė konstanta, ε – terpės dielektrinė konstanta.
Esant vakuumui ε = 1, k = 9 * 10 9 N*m/Cl 2.
Sąveikos jėga tarp stacionarių taškinių krūvių vakuume:
F = · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ]
Jei į dielektriką dedami du taškiniai krūviai ir atstumas nuo šių krūvių iki dielektriko ribų yra žymiai didesnis nei atstumas tarp krūvių, tai jų sąveikos jėga lygi:
F = · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ] = k · (1 /π) · [(|q 1 | · |q 2 |) / r 2 ]
Terpės dielektrinė konstanta Visada daugiau nei vienas(π > 1), todėl jėga, su kuria dielektrike sąveikauja krūviai, yra mažesnė už jų sąveikos jėgą tuo pačiu atstumu vakuume.
Dviejų nejudančių taškinio krūvio kūnų sąveikos jėgos nukreiptos išilgai šiuos kūnus jungiančios tiesės (1.8 pav.).
Ryžiai. 1.8. Dviejų nejudančių taškinio krūvio kūnų sąveikos jėgos.
Kulono jėgos, kaip ir gravitacinės jėgos, paklūsta trečiajam Niutono dėsniui:
F 1,2 = -F 2,1
Kulono jėga yra pagrindinė jėga. Kaip rodo patirtis, kaip įkrauti kūnai atstumia, taip priešingai įkrauti kūnai traukia.
Jėgos vektorius F 2.1, veikiantis nuo antrojo krūvio pirmąjį, nukreipiamas į antrąjį krūvį, jei krūviai yra skirtingų ženklų, ir priešinga kryptimi, jei krūviai yra vienodo ženklo (1.9 pav.).
Ryžiai. 1.9. Skirtingų ir panašių elektros krūvių sąveika.
Elektrostatinis atstumiančios jėgos laikomas teigiamu gravitacija– neigiamas. Sąveikos jėgų ženklai atitinka Kulono dėsnį: panašių krūvių sandauga yra teigiamas skaičius, o atstumiamoji jėga turi teigiamą ženklą. Priešingų krūvių sandauga yra neigiamas skaičius, atitinkantis traukos jėgos ženklą.
Kulono eksperimentuose buvo išmatuotos įkrautų rutulių sąveikos jėgos, kurioms jie buvo naudojami sukimo svarstyklės(1.10 pav.). Ant plono sidabro siūlaišviesa pakabinta stiklo strypas Su, kurio viename gale pritvirtintas metalinis rutulys A, o kitoje yra atsvara d. Viršutinis sriegio galas pritvirtintas prie besisukančios prietaiso galvutės e, kurio sukimosi kampą galima tiksliai išmatuoti. Prietaiso viduje yra tokio pat dydžio metalinis rutulys b, tvirtai pritvirtintas ant svarstyklių dangtelio. Visos prietaiso dalys dedamos į stiklinį cilindrą, kurio paviršiuje yra skalė, leidžianti nustatyti atstumą tarp rutuliukų a Ir bįvairiose savo pareigose.
Ryžiai. 1.10. Kulono eksperimentas (torsioninis balansas).
Kai kamuoliukai įkraunami tais pačiais krūviais, jie atstumia vienas kitą. Šiuo atveju elastinis siūlas susukamas tam tikru kampu, kad rutuliai būtų laikomi fiksuotu atstumu. Sriegio posūkio kampas lemia rutulių sąveikos jėgą, priklausomai nuo atstumo tarp jų. Sąveikos jėgos priklausomybę nuo krūvių dydžio galima nustatyti taip: kiekvienam rutuliui suteikti tam tikrą krūvį, padėti juos tam tikru atstumu ir išmatuoti sriegio posūkio kampą. Tada reikia paliesti vieną iš rutulių tokio paties dydžio įkrautu rutuliu, keičiant jo krūvį, nes kai liečiasi vienodo dydžio kūnai, krūvis tarp jų pasiskirsto tolygiai. Norint išlaikyti tą patį atstumą tarp rutuliukų, reikia pakeisti sriegio posūkio kampą, taigi, nustatyti naują sąveikos jėgos vertę nauju krūviu.
Elektros koncepcija. Elektrifikacija. Laidininkai, puslaidininkiai ir dielektrikai. Elementarus krūvis ir jo savybės. Kulono dėsnis. Įtampa elektrinis laukas. Superpozicijos principas. Elektrinis laukas kaip sąveikos apraiškos. Elementariojo dipolio elektrinis laukas.
Terminas elektra kilęs iš graikų kalbos žodžio elektronas (gintaras).
Elektrifikacija yra elektros energijos perdavimo į kūną procesas.
mokestis. Šį terminą XVI amžiuje įvedė anglų mokslininkas ir gydytojas Gilbertas.
ELEKTROS ĮKŪVIMAS – FIZINIS SKALIARINIS KIEKIS, BŪDINGAS KŪNŲ AR DALELĖS SAVYBĖS ĮEITI IR ELEKTROMAGNETINĖS SĄVEIKOS IR NUSTATANT ŠIŲ SĄVEIKŲ STIPRIĄ IR ENERGIJĄ.
Elektros krūvių savybės:
1. Gamtoje yra dviejų tipų elektros krūviai. Teigiamas (atsiranda ant stiklo, įtrinto į odą) ir neigiamas (atsiranda ant ebonito, įtrinto į kailį).
2. Kaip krūviai atstumia, skirtingai nei krūviai traukia.
3. Elektros krūvis NEEGZISTUOJA BE KŪVIO NEŠĖJŲ DALELĖS (elektronų, protonų, pozitronų ir kt.). Pavyzdžiui, elektros krūvis negali būti pašalintas iš elektrono ir kitų elementariai įkrautų dalelių.
4. Elektros krūvis yra diskretus, t.y. bet kurio kūno krūvis yra sveikasis kartotinis elementarus elektros krūvis e(e = 1,6 10 -19 C). Elektronas (t.y.= 9,11 10 -31 kg) ir protonas (t p = 1,67 10 -27 kg) yra atitinkamai elementarių neigiamų ir teigiamų krūvių nešėjai (Žinomos dalelės, turinčios dalinį elektros krūvį: – 1/3 e ir 2/3 e – Tai kvarkai ir antikvarkai , bet jie nebuvo rasti laisvoje būsenoje).
5. Elektros krūvis – dydis reliatyvistiškai nekintamas , tie. nepriklauso nuo atskaitos rėmo, vadinasi, nepriklauso nuo to, ar šis krūvis juda, ar ramybės būsenoje.
6. Apibendrinus eksperimentinius duomenis nustatyta pagrindinis gamtos dėsnis - krūvio išsaugojimo dėsnis: algebrinė suma
Bet kurios uždaros sistemos elektros krūvių MA(sistema, kuri nesikeičia mokesčiais su išorės įstaigomis) išlieka nepakitęs, nesvarbu, kokie procesai vyksta šioje sistemoje.
Įstatymą eksperimentiškai patvirtino anglų fizikas 1843 m
M. Faradėjus ( 1791–1867) ir kiti, patvirtinti dalelių ir antidalelių gimimu ir sunaikinimu.
Elektros krūvio vienetas (išvestinis vienetas, nes jis nustatomas pagal srovės vienetą) - pakabukas (C): 1 C - elektros krūvis,
einantis per 1 A srovės stiprio laidininko skerspjūvį 1 s.
Visi gamtoje esantys kūnai geba įsielektrinti, t.y. įgyti elektros krūvį. Galima atlikti kėbulų elektrifikavimą Skirtingi keliai: kontaktas (trintis), elektrostatinė indukcija
Bet koks įkrovimo procesas yra susijęs su krūvių atskyrimu, kai viename iš kūnų (ar kūno dalies) atsiranda teigiamo krūvio perteklius, o kitame (ar kitoje kūno dalyje) – neigiamo krūvio perteklius. kūnas). Abiejų ženklų, esančių kūnuose, bendras krūvių skaičius nesikeičia: šie krūviai tik perskirstomi tarp kūnų.
Kūnų elektrifikacija įmanoma, nes kūnai susideda iš įkrautų dalelių. Kūnų elektrifikacijos metu gali judėti laisvos būsenos elektronai ir jonai. Protonai lieka branduoliuose.
Pagal laisvųjų krūvių koncentraciją kūnai skirstomi į laidininkai, dielektrikai ir puslaidininkiai.
Dirigentai- kūnai, kuriuose elektros krūvis gali maišytis visame tūryje. Dirigentai skirstomi į dvi grupes:
1) pirmos rūšies dirigentai (metalai) – perkėlimas į
jų krūviai (laisvieji elektronai) nėra lydimi cheminių
transformacijos;
2) antrosios rūšies laidininkai (pavyzdžiui, išlydytos druskos, ra-
rūgščių tirpalai) – krūvių (teigiamų ir neigiamų) perkėlimas į juos
jonų) sukelia cheminius pokyčius.
Dielektrikai(pavyzdžiui, stiklas, plastikas) - korpusai, kuriuose praktiškai nėra nemokamų mokesčių.
Puslaidininkiai (pavyzdžiui, germanis, silicis) užima
tarpinė padėtis tarp laidininkų ir dielektrikų. Toks kūnų skirstymas yra labai sąlyginis, tačiau didelis laisvųjų krūvių koncentracijų juose skirtumas sukelia didžiulius kokybinius jų elgesio skirtumus ir todėl pateisina kūnų skirstymą į laidininkus, dielektrikus ir puslaidininkius.
ELEKTROSTATIKA- stacionarių įkrovų mokslas
Kulono dėsnis.
Sąveikos dėsnis fiksuotas taškas elektros krūviai
1785 m. eksperimentiškai sumontavo Sh. Coulomb, naudodamas sukimo svarstykles.
panašius į tuos, kuriuos naudojo G. Cavendish, nustatydamas gravitacijos konstantą (šį dėsnį anksčiau atrado G. Cavendishas, tačiau jo darbas liko nežinomas daugiau nei 100 metų).
Taškinis mokestis, vadinami įkrautu kūnu ar dalele, kurių matmenų, lyginant su atstumu iki jų, galima nepaisyti.
Kulono dėsnis: dviejų nejudančių taškinių krūvių sąveikos jėga vakuume proporcingas mokesčiams q 1 Ir 2 k., ir yra atvirkščiai proporcinga atstumo r tarp jų kvadratui :
k - proporcingumo koeficientas, priklausantis nuo sistemos pasirinkimo
SI 
Didumas ε 0 paskambino elektros konstanta; tai nurodo
numerį pagrindinės fizinės konstantos ir yra lygus:
ε 0 = 8,85 ∙10 -12 Cl 2 /N∙m 2
Vektorinėje formoje Kulono dėsnis vakuume turi tokią formą:
kur yra spindulio vektorius, jungiantis antrąjį krūvį su pirmuoju, F 12 yra jėga, veikianti iš antrojo krūvio pirmąjį.
Kulono dėsnio tikslumas dideliais atstumais, iki
10 7 m, nustatyta atliekant tyrimus magnetinis laukas per palydovus
artimoje Žemės erdvėje. Jo įgyvendinimo tikslumas nedideliais atstumais, iki 10 -17 m, patikrinta elementariųjų dalelių sąveikos eksperimentais.
Kulono dėsnis aplinkoje
Visose terpėse Kulono sąveikos jėga yra mažesnė už sąveikos jėgą vakuume ar ore. Fizinis dydis, parodantis, kiek kartų elektrostatinės sąveikos jėga vakuume yra didesnė nei tam tikroje terpėje, vadinamas terpės dielektrine konstanta ir žymimas raide ε.
ε = F vakuume / F terpėje
Kulono dėsnis bendra forma SI:
Kulono jėgų savybės.
1. Kulono jėgos yra centrinio tipo jėgos, nes nukreiptas išilgai tiesės, jungiančios krūvius
Kulono jėga yra patraukli jėga, jei krūvių ženklai yra skirtingi, ir atstumianti jėga, jei krūvių ženklai yra vienodi
3. 3-asis Niutono dėsnis galioja Kulono jėgoms
4. Kulono jėgos paklūsta nepriklausomumo arba superpozicijos principui, nes dviejų taškinių krūvių sąveikos jėga nepasikeis, kai šalia atsiras kiti krūviai. Gauta elektrostatinės sąveikos jėga, veikianti tam tikrą krūvį, yra lygi tam tikro krūvio sąveikos su kiekvienu sistemos krūviu jėgų vektorinei sumai.
F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ +F 1 N
Sąveika tarp krūvių vyksta per elektrinį lauką. Elektrinis laukas yra ypatinga materijos egzistavimo forma, per kurią vyksta elektros krūvių sąveika. Elektrinis laukas pasireiškia tuo, kad jis veikia jėga bet kurį kitą į šį lauką įvestą krūvį. Stacionarių elektros krūvių sukuriamas elektrostatinis laukas sklinda erdvėje baigtiniu greičiu c.
Elektrinio lauko stiprumo charakteristika vadinama įtempimu.
Įtampa elektrinis tam tikru momentu vadinamas fizinis kiekis, lygus jėgos, kuria laukas veikia teigiamą bandomąjį krūvį, esantį tam tikrame taške, ir šio krūvio modulio santykiui.
Taškinio krūvio lauko stipris q:
Superpozicijos principas: krūvių sistemos sukurtas elektrinio lauko stiprumas tam tikrame erdvės taške yra lygus kiekvieno krūvio atskirai (nesant kitų krūvių) šiame taške sukuriamų elektrinio lauko stiprių vektorinei sumai.
1785 metais prancūzų fizikas Charlesas Coulombas eksperimentiniu būdu nustatė pagrindinį elektrostatikos dėsnį – dviejų nejudančių taškinio krūvio kūnų arba dalelių sąveikos dėsnį.
Stacionarių elektros krūvių sąveikos dėsnis – Kulono dėsnis – yra pagrindinis (pagrindinis) fizikinis dėsnis ir gali būti nustatytas tik empiriškai. Tai neišplaukia iš kitų gamtos dėsnių.
Jei įkrovos modulius žymėsime | q 1 | ir | q 2 |, tada Kulono dėsnį galima parašyti tokia forma:
\(~F = k \cdot \dfrac(|q_1| \cdot |q_2|)(r^2)\) , (1)
Kur k– proporcingumo koeficientas, kurio reikšmė priklauso nuo elektros krūvio vienetų pasirinkimo. SI sistemoje \(~k = \dfrac(1)(4 \pi \cdot \varepsilon_0) = 9 \cdot 10^9\) N m 2 / C 2, kur ε 0 yra elektrinė konstanta, lygi 8,85 · 10 -12 C 2 /N m 2.
Įstatymo pareiškimas:
dviejų taškinių nejudančių įkrautų kūnų sąveikos jėga vakuume yra tiesiogiai proporcinga krūvio modulių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui.
Ši jėga vadinama Kulonas.
Kulono dėsnis šioje formuluotėje galioja tik taškąįkrauti kūnai, nes tik jiems atstumo tarp krūvių sąvoka turi tam tikrą reikšmę. Gamtoje taškinio krūvio kūnų nėra. Bet jei atstumas tarp kūnų yra daug kartų didesnis už jų dydį, tai nei įkrautų kūnų forma, nei dydis, kaip rodo patirtis, reikšmingai neįtakoja jų tarpusavio sąveikos. Šiuo atveju kūnai gali būti laikomi taškiniais kūnais.
Nesunku pastebėti, kad du ant siūlų pakabinti įkrauti rutuliai arba traukia vienas kitą, arba atstumia vienas kitą. Iš to išplaukia, kad dviejų nejudančių taškinio krūvio kūnų sąveikos jėgos nukreiptos išilgai šiuos kūnus jungiančios tiesės. Tokios jėgos vadinamos centrinis. Jei žymėsime \(~\vec F_(1,2)\) jėgą, veikiančią pirmąjį krūvį nuo antrojo, ir \(~\vec F_(2,1)\) jėgą, veikiančią antrąjį krūvį nuo pirmojo (1 pav.), tada pagal trečiąjį Niutono dėsnį \(~\vec F_(1,2) = -\vec F_(2,1)\) . Pažymime \(\vec r_(1,2)\) spindulio vektorių, nubrėžtą nuo antrojo krūvio iki pirmojo (2 pav.), tada
\(~\vec F_(1,2) = k \cdot \dfrac(q_1 \cdot q_2)(r^3_(1,2)) \cdot \vec r_(1,2)\) . (2)
Jei kaltinimų požymiai q 1 ir q 2 yra vienodi, tada jėgos \(~\vec F_(1,2)\) kryptis sutampa su vektoriaus \(~\vec r_(1,2)\) kryptimi; kitu atveju vektoriai \(~\vec F_(1,2)\) ir \(~\vec r_(1,2)\) nukreipti priešingomis kryptimis.
Žinant taškinio krūvio kūnų sąveikos dėsnį, galima apskaičiuoti bet kurių įkrautų kūnų sąveikos jėgą. Norėdami tai padaryti, kūnai turi būti psichiškai suskaidyti į tokius mažus elementus, kad kiekvieną iš jų būtų galima laikyti tašku. Geometriškai sudėjus visų šių elementų tarpusavio sąveikos jėgas, galime apskaičiuoti susidariusią sąveikos jėgą.
Kulono dėsnio atradimas yra pirmasis konkretus žingsnis tiriant elektros krūvio savybes. Elektrinio krūvio buvimas kūnuose ar elementariosiose dalelėse reiškia, kad jie sąveikauja vienas su kitu pagal Kulono dėsnį. Šiuo metu nenustatyta jokių nukrypimų nuo griežto Kulono įstatymo įgyvendinimo.
Kulono eksperimentas
Poreikį atlikti Kulono eksperimentus lėmė tai, kad XVIII a. Sukaupta daug kokybiškų duomenų apie elektros reiškinius. Reikėjo jiems pateikti kiekybinį aiškinimą. Kadangi elektrinės sąveikos jėgos buvo palyginti mažos, a rimta problema kuriant metodą, kuris leistų atlikti matavimus ir gauti reikiamą kiekybinę medžiagą.
Prancūzų inžinierius ir mokslininkas C. Coulombas pasiūlė mažų jėgų matavimo metodą, kuris buvo pagrįstas tokiu paties mokslininko atrastu eksperimentiniu faktu: metalinės vielos tampriosios deformacijos metu atsirandanti jėga yra tiesiogiai proporcinga posūkio kampui, ketvirtoji vielos skersmens galia ir atvirkščiai proporcinga jo ilgiui:
\(~F_(ynp) = k \cdot \dfrac(d^4)(l) \cdot \varphi\) ,
Kur d- skersmuo, l- vielos ilgis, φ – posūkio kampas. Pateiktoje matematinėje išraiškoje proporcingumo koeficientas k buvo nustatytas empiriškai ir priklausė nuo medžiagos, iš kurios buvo pagaminta viela, pobūdžio.
Šis modelis buvo naudojamas vadinamuosiuose sukimo svarstyklėse. Sukurtos svarstyklės leido išmatuoti nereikšmingas 5,10–8 N dydžio jėgas.
Ryžiai. 3 Torsioninės svarstyklės (3 pav., a) sudarytos iš lengvo stiklo svirties 9 10,83 cm ilgio, pakabintas ant sidabrinės vielos 5 apie 75 cm ilgio, 0,22 cm skersmens Viename rokerio gale buvo paauksuotas šeivamedžio rutulys 8 , o iš kitos – atsvara 6 - popierinis apskritimas, pamirkytas terpente. Viršutinis laido galas buvo pritvirtintas prie prietaiso galvutės 1 . Čia taip pat buvo ženklas 2 , kurio pagalba buvo išmatuotas sriegio posūkio kampas apskrita skale 3 . Skalė buvo graduota. Visa ši sistema buvo patalpinta stikliniuose cilindruose 4 Ir 11 . Apatinio cilindro viršutiniame dangtelyje buvo skylė, į kurią buvo įkištas stiklinis strypas su rutuliu 7 pabaigoje. Eksperimentuose buvo naudojami rutuliai, kurių skersmuo svyravo nuo 0,45 iki 0,68 cm.
Prieš pradedant eksperimentą, galvos indikatorius buvo nustatytas į nulį. Tada kamuolys 7 įkraunamas iš iš anksto elektrifikuoto rutulio 12 . Kai kamuolys paliečia 7 su kilnojamu kamuoliuku 8 įvyko mokesčių perskirstymas. Tačiau dėl to, kad rutulių skersmenys buvo vienodi, rutulių krūviai taip pat buvo vienodi 7 Ir 8 .
Dėl elektrostatinio rutuliukų atstūmimo (3 pav., b) rokeris 9 pasuktas tam tikru kampu γ (ant mastelio 10 ). Naudojant galvą 1 šis rokeris grįžo į pradinę padėtį. Ant mastelio 3 rodyklė 2 leidžiama nustatyti kampą α sukant siūlą. Bendras sriegio posūkio kampas φ = γ + α . Sąveikos jėga tarp rutulių buvo proporcinga φ ty pagal posūkio kampą galima spręsti apie šios jėgos dydį.
Esant pastoviam atstumui tarp rutulių (jis buvo įrašytas skalėje 10 laipsniu mastu) tirta taškinių kūnų elektrinės sąveikos jėgos priklausomybė nuo juose esančio krūvio kiekio.
Norėdami nustatyti jėgos priklausomybę nuo rutulių krūvio, Kulonas rado paprastą ir išradingą būdą pakeisti vieno iš rutulių krūvį. Norėdami tai padaryti, jis prijungė įkrautą rutulį (rutulius 7 arba 8 ) su tokio pat dydžio neįkrautu (rutuliuku 12 ant izoliacinės rankenos). Šiuo atveju krūvis buvo paskirstytas tolygiai tarp rutuliukų, todėl tiriamas krūvis sumažėjo 2, 4 ir tt kartus. Nauja jėgos vertė prie naujos krūvio vertės vėl buvo nustatyta eksperimentiškai. Tuo pačiu paaiškėjo kad jėga yra tiesiogiai proporcinga rutuliukų krūvių sandaugai:
\(~F \sim q_1 \cdot q_2\) .
Nustatyta elektrinės sąveikos stiprumo priklausomybė nuo atstumo tokiu būdu. Suteikus krūvį kamuoliukams (jie turėjo tą patį krūvį), svirtis nukrypo tam tikru kampu γ . Tada pasukite galvą 1 šis kampas sumažėjo iki γ 1 . Bendras sukimo kampas φ 1 = α 1 + (γ - γ 1)(α 1 – galvos sukimosi kampas). Kai rutuliukų kampinis atstumas sumažėja iki γ 2 bendras sukimo kampas φ 2 = α 2 + (γ - γ 2) . Pastebėta, kad jei γ 1 = 2γ 2, TO φ 2 = 4φ 1, t.y., kai atstumas sumažėja 2 kartus, sąveikos jėga padidėja 4 kartus. Jėgos momentas padidėjo tiek pat, nes sukimosi deformacijos metu jėgos momentas yra tiesiogiai proporcingas posūkio kampui, taigi ir jėgai (jėgos svirtis liko nepakitusi). Tai veda prie tokios išvados: Dviejų įkrautų rutulių sąveikos jėga yra atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui:
\(~F \sim \dfrac(1)(r^2)\) .
Literatūra
- Myakishev G.Ya. Fizika: elektrodinamika. 10-11 klasės: vadovėlis. Dėl giluminis tyrimas fizika / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakovas, B.A. Slobodskovas. – M.: Bustard, 2005. – 476 p.
- Volshtein S.L ir kt., Fizinių mokslų metodai mokykloje: vadovas mokytojams / S.L. Volšteinas, S.V. Pozoiskis, V.V. Usanovas; Red. S.L. Volšteinas. – Mn.: Nar. Asveta, 1988. – 144 p.
Elektrostatikoje vienas iš pagrindinių yra Kulono dėsnis. Jis naudojamas fizikoje dviejų nejudančių taškinių krūvių sąveikos jėgai arba atstumui tarp jų nustatyti. Tai yra pagrindinis gamtos dėsnis, kuris nepriklauso nuo jokių kitų dėsnių. Tada tikrojo kūno forma neturi įtakos jėgų dydžiui. Šiame straipsnyje mes pasakysime paprasta kalba Kulono dėsnis ir jo taikymas praktikoje.
Atradimų istorija
Sh.O. Kulonas 1785 m. pirmasis eksperimentiškai įrodė įstatyme aprašytą sąveiką. Savo eksperimentuose jis naudojo specialias sukimo svarstykles. Tačiau dar 1773 m. Cavendish, naudodamas sferinio kondensatoriaus pavyzdį, įrodė, kad sferos viduje nėra elektrinio lauko. Tai parodė, kad elektrostatinės jėgos skiriasi priklausomai nuo atstumo tarp kūnų. Tiksliau – atstumo kvadratas. Jo tyrimas tada nebuvo paskelbtas. Istoriškai šis atradimas buvo pavadintas Kulono vardu, o dydis, kuriuo matuojamas krūvis, turi panašų pavadinimą.
Formulė
Kulono dėsnio apibrėžimas sako: VakuumeDviejų įkrautų kūnų sąveika F yra tiesiogiai proporcinga jų modulių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui.
Skamba trumpai, bet ne visiems gali būti aišku. Paprastais žodžiais: Kuo daugiau krūvio kūnai ir kuo arčiau vienas kito, tuo didesnė jėga.
Ir atvirkščiai: Jei padidinsite atstumą tarp krūvių, jėga sumažės.
Kulono taisyklės formulė atrodo taip:
Raidžių žymėjimas: q - krūvio reikšmė, r - atstumas tarp jų, k - koeficientas, priklauso nuo pasirinktos vienetų sistemos.
Krūvio reikšmė q gali būti sąlyginai teigiama arba sąlyginai neigiama. Šis skirstymas yra labai savavališkas. Kai kūnas liečiasi, jis gali būti perduodamas iš vieno į kitą. Iš to išplaukia, kad tas pats kūnas gali turėti skirtingo dydžio ir ženklo krūvį. Taškinis krūvis – tai krūvis arba kūnas, kurio matmenys yra daug mažesni už galimos sąveikos atstumą.
Verta manyti, kad aplinka, kurioje yra krūviai, turi įtakos F sąveikai. Kadangi jis yra beveik lygus ore ir vakuume, Kulono atradimas taikomas tik šioms terpėms, tai yra viena iš šio tipo formulių naudojimo sąlygų. Kaip jau minėta, SI sistemoje krūvio matavimo vienetas yra Kulonas, sutrumpintai Cl. Jis apibūdina elektros energijos kiekį per laiko vienetą. Jis gaunamas iš SI bazinių vienetų.
1 C = 1 A*1 s
Verta paminėti, kad 1 C matmuo yra perteklinis. Dėl to, kad nešikliai atstumia vienas kitą, juos sunku sutalpinti į mažą korpusą, nors pati 1A srovė yra maža, jei ji teka laidininku. Pavyzdžiui, toje pačioje 100 W kaitrinėje lempoje teka 0,5 A srovė, o elektriniame šildytuve - daugiau nei 10 A. Tokia jėga (1 C) apytiksliai lygi 1 tonos masei, veikiančiai kūną nuo Žemės rutulio pusėje.
Galbūt pastebėjote, kad formulė beveik tokia pati kaip ir gravitacinėje sąveikoje, tik jei Niutono mechanikoje atsiranda masės, tai elektrostatikoje atsiranda krūviai.
Kulono formulė dielektrinei terpei
Koeficientas, atsižvelgiant į SI sistemos reikšmes, nustatomas N 2 * m 2 / Cl 2. Jis lygus:
Daugelyje vadovėlių šį koeficientą galima rasti trupmenos pavidalu:
Čia E 0 = 8,85*10-12 C2/N*m2 yra elektrinė konstanta. Dielektrikui pridedama E - terpės dielektrinė konstanta, tada pagal Kulono dėsnį galima apskaičiuoti vakuumo ir terpės krūvių sąveikos jėgas.
Atsižvelgiant į dielektriko įtaką, jis turi tokią formą:
Iš to matome, kad dielektriko įvedimas tarp kūnų sumažina jėgą F.
Kaip nukreipiamos jėgos?
Krūviai sąveikauja vienas su kitu priklausomai nuo jų poliškumo – panašūs krūviai atstumia, o skirtingai nei (priešingi) krūviai traukia.
Beje, tai yra pagrindinis skirtumas nuo panašaus gravitacinės sąveikos dėsnio, kai kūnai visada traukia. Jėgos nukreiptos išilgai tarp jų nubrėžtos linijos, vadinamos spindulio vektoriumi. Fizikoje jis žymimas kaip r 12 ir kaip spindulio vektorius nuo pirmojo iki antrojo krūvio ir atvirkščiai. Jėgos nukreipiamos iš krūvio centro į priešingą krūvį išilgai šios linijos, jei krūviai yra priešingi ir išvirkščia pusė, jei jie yra to paties pavadinimo (du teigiami arba du neigiami). Vektorine forma:
Jėga, kurią pirmąjį krūvį veikia antrasis, žymima kaip F 12. Tada vektoriaus pavidalu Kulono dėsnis atrodo taip:
Antrojo krūvio jėgai nustatyti naudojami žymėjimai F 21 ir R 21.
Jei kūnas yra sudėtingos formos ir yra pakankamai didelis, kad tam tikru atstumu jo negalima laikyti taškiniu krūviu, tada jis padalinamas į mažas dalis ir kiekviena sekcija laikoma taškiniu krūviu. Geometriškai sudėjus visus gautus vektorius, gaunama gauta jėga. Atomai ir molekulės sąveikauja tarpusavyje pagal tą patį dėsnį.
Taikymas praktikoje
Kulono darbas labai svarbus elektrostatikoje, jis naudojamas daugelyje išradimų ir prietaisų. Ryškus pavyzdys Galite pasirinkti žaibolaidį. Su jo pagalba jie apsaugo pastatus ir elektros įrenginius nuo perkūnijos, taip užkertant kelią gaisrui ir įrangos gedimams. Kai lyja su perkūnija, ant žemės atsiranda didelio masto sukeltas krūvis, jie traukia debesies link. Pasirodo, žemės paviršiuje atsiranda didelis elektrinis laukas. Prie žaibolaidžio galiuko jis didesnis, dėl to nuo galo užsidega vainikinė iškrova (nuo žemės, per žaibolaidį į debesį). Pagal Kulono dėsnį žemės krūvis pritraukiamas priešingam debesies krūviui. Oras jonizuojamas, o elektrinio lauko stipris mažėja artėjant žaibolaidžio galui. Taigi, krūviai ant pastato nesikaupia, tokiu atveju žaibo smūgio tikimybė yra maža. Jei pastatas nutrenks, visa energija per žaibolaidį pateks į žemę.
Rimtai moksliniai tyrimai Jie naudoja didžiausią XXI amžiaus konstrukciją – dalelių greitintuvą. Jame elektrinis laukas padidina dalelės energiją. Įvertinus šiuos procesus krūvių grupės įtakos taškiniam krūviui požiūriu, tada visi dėsnio santykiai pasirodo galiojantys.
Naudinga
Kulono dėsnis- tai yra elektrostatikos pagrindas, šio dėsnio formuluotės ir pagrindinės formulės žinios taip pat būtinos studijuojant skyrių „Elektra ir magnetizmas“.
Kulono dėsnis
Įstatymas, apibūdinantis krūvių elektrinės sąveikos jėgas, buvo atrastas 1785 m Charlesas Kulonas, kuris atliko daugybę eksperimentų su metaliniais rutuliais. Viena iš šiuolaikinių Kulono dėsnio formuluočių yra tokia:
„Dviejų taškinių elektros krūvių sąveikos jėga nukreipta išilgai šiuos krūvius jungiančios tiesės, proporcinga jų dydžių sandaugai ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Jei krūviai yra skirtingų ženklų, tai jie traukia, o jei vienodo ženklo – atstumia“.
Formulė, iliustruojanti šį dėsnį:
*Antrasis veiksnys (kuriame yra spindulio vektorius) reikalingas tik jėgos krypčiai nustatyti.
F 12 – jėga, kuri veikia 2-ąjį krūvį nuo pirmojo;
q 1 ir q 2 - įkrovos vertės;
r 12 – atstumas tarp įkrovų;
k– proporcingumo koeficientas:
ε 0 yra elektrinė konstanta, kartais vadinama vakuumo dielektrine konstanta. Apytiksliai lygus 8,85·10 -12 F/m arba Cl 2 /(H m 2).
ε – terpės dielektrinė konstanta (vakuumui lygi 1).
Kulono dėsnio išvados
- Yra dviejų tipų krūviai – teigiami ir neigiami
- kaip krūviai atstumia, o skirtingi krūviai traukia
- mokesčius galima perkelti iš vieno į kitą, nes krūvis nėra pastovus ir nekintantis dydis. Jis gali skirtis priklausomai nuo sąlygų (aplinkos), kuriose yra įkrova
- kad įstatymas būtų teisingas, būtina atsižvelgti į krūvių elgesį vakuume ir jų nejudrumą
Vaizdinis Kulono dėsnio vaizdavimas.
