صفحة 56

قانون كولون

القانون الأساسي للكهرباء الساكنة. مفهوم نقطة الجسم المشحونة.

قياس قوة تفاعل الشحنات باستخدام موازين الالتواء. تجارب كولوم

تعريف شحنة النقطة

قانون كولوم. الصيغة والصيغة

قوة القلادة

تعريف وحدة الشحن

المعامل في قانون كولوم

مقارنة بين القوى الكهروستاتيكية وقوى الجاذبية في الذرة

توازن الشحنات الساكنة ومعناها المادي (على سبيل المثال ثلاث شحنات)

القانون الأساسي للكهرباء الساكنة هو قانون التفاعل بين جسمين مشحونين بلا حراك.

أقامه تشارلز أوغستين كولوم عام 1785 ويحمل اسمه.

في الطبيعة ، لا توجد أجسام مشحونة بنقطة ، ولكن إذا كانت المسافة بين الأجسام أكبر بعدة مرات من حجمها ، فلا شكل ولا حجم الأجسام المشحونة يؤثران بشكل كبير على التفاعلات بينهما. في الحالة الحالية ، يمكن اعتبار هذه الهيئات كهيئات نقطية.

تعتمد قوة تفاعل الأجسام المشحونة على خصائص الوسط بينها. تُظهر التجربة أن الهواء له تأثير ضئيل جدًا على قوة هذا التفاعل ، واتضح أنه هو نفسه تقريبًا كما هو الحال في الفراغ.

تجربة كولوم

تم الحصول على النتائج الأولى لقياس قوة تفاعل الشحنات في عام 1785 من قبل العالم الفرنسي تشارلز أوغستين كولوم

تم استخدام ميزان الالتواء لقياس القوة.

تمت موازنة كرة ذهبية صغيرة رفيعة وغير مشحونة في أحد طرفي شعاع عازل معلق على خيط فضي مرن في الطرف الآخر من الحزمة بواسطة قرص ورقي.

من خلال تدوير الروك ، تم توصيله بنفس الكرة المشحونة غير المتحركة ، ونتيجة لذلك تم تقسيم شحنته بالتساوي بين الكرات.

تم اختيار قطر الكرات ليكون أصغر بكثير من المسافة بينهما من أجل القضاء على تأثير حجم وشكل الأجسام المشحونة على نتائج القياس.

الشحنة النقطية هي جسم مشحون وحجمه أقل بكثير من مسافة تأثيره المحتمل على أجسام أخرى.

بدأت الكرات التي لها نفس الشحنات في صد بعضها البعض ، مما أدى إلى التواء الخيط. كانت زاوية الدوران متناسبة مع القوة المؤثرة على الكرة المتحركة.

تم قياس المسافة بين الكرات باستخدام مقياس معايرة خاص.

من خلال تفريغ الكرة 1 بعد قياس القوة وتوصيلها مرة أخرى بالكرة الثابتة ، خفض كولوم شحنة الكرات المتفاعلة بمقدار 2،4،8 ، إلخ. ذات مرة،

قانون كولوم:

تتناسب قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين في الفراغ طرديًا مع ناتج وحدات الشحن وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما ، ويتم توجيهها على طول الخط المستقيم الذي يربط الشحنات.

k هو معامل التناسب ، اعتمادًا على اختيار نظام الوحدات.

تسمى القوة F12 بقوة كولوم

قوة كولوم مركزية ، أي موجهة على طول الخط الذي يربط بين مراكز الشحن.

في النظام الدولي للوحدات ، لا تعتبر وحدة الشحن هي الوحدة الأساسية ، بل هي المشتقة ، ويتم تعريفها باستخدام الأمبير ، وحدة النظام الدولي الأساسية.

قلادة - شحنة كهربائية تمر عبر المقطع العرضي للموصل بقوة تيار 1 أ في 1 ثانية

في النظام الدولي للوحدات ، معامل التناسب في قانون كولوم للفراغ هو:

ك = 9 * 109 Nm2 / Cl2

غالبًا ما يتم كتابة المعامل على النحو التالي:

e0 = 8.85 * 10-12 C2 / (Nm2) - ثابت كهربائي

قانون كولوم مكتوب بالصيغة التالية:

إذا تم وضع شحنة نقطية في وسط ذي سماحية نسبية e بخلاف الفراغ ، فإن قوة كولوم ستنخفض بمعامل e.

لأي وسيط ما عدا الفراغ e> 1

وفقًا لقانون كولوم ، تتفاعل شحنتان نقطيتان مقدار كل منهما 1 درجة مئوية ، على مسافة 1 متر في الفراغ ، مع قوة

من هذا التقدير ، يمكن ملاحظة أن شحنة 1 كولوم هي كمية كبيرة جدًا.

في الممارسة العملية ، يستخدمون وحدات فرعية - μC (10-6) ، μC (10-3)

1 ج يحتوي على 6 * 1018 شحنة الكترونية.

باستخدام مثال قوى التفاعل بين الإلكترون والبروتون في النواة ، يمكن إثبات أن القوة الكهروستاتيكية للتفاعل بين الجسيمات أكبر من قوة الجاذبية بحوالي 39 مرتبة من حيث الحجم. ومع ذلك ، فإن القوى الكهروستاتيكية للتفاعل بين الأجسام العيانية (بشكل عام محايدة كهربائيًا) يتم تحديدها فقط من خلال الشحنات الزائدة الصغيرة جدًا الموجودة عليها ، وبالتالي فهي ليست كبيرة مقارنة بقوى الجاذبية التي تعتمد على كتلة الأجسام.

هل من الممكن موازنة الشحنات الاستاتيكية؟

ضع في اعتبارك نظامًا من شحنتين نقطيتين موجبتين q1 و q2.

لنجد عند أي نقطة يجب وضع الشحنة الثالثة بحيث تكون في حالة توازن ، ونحدد أيضًا مقدار هذه الشحنة وإشاراتها.

يحدث التوازن الثابت عندما يكون المجموع الهندسي (المتجه) للقوى المؤثرة على الجسم صفرًا.

النقطة التي عندها يمكن للقوى المؤثرة في الشحنة الثالثة q3 أن تلغي بعضها البعض تقع على الخط الفاصل بين الشحنات.

في هذه الحالة ، يمكن أن تكون الشحنة q3 موجبة وسالبة. في الحالة الأولى ، يتم تعويض قوى التنافر ، وفي الحالة الثانية ، يتم تعويض قوى الجذب.

مع الأخذ في الاعتبار قانون كولوم ، سيكون التوازن الثابت للرسوم في حالة:

لا يعتمد توازن الشحنة q3 على قيمتها أو على علامة الشحنة.

عندما تتغير الشحنة q3 ، تتغير قوى الجذب (موجب q3) وقوى التنافر (q3 سالب) بالتساوي

اتخاذ القرار معادلة من الدرجة الثانيةفيما يتعلق بـ x ، يمكن إثبات أن شحنة أي علامة وحجم سيكون في حالة توازن عند نقطة على مسافة x1 من الشحنة q1:

دعنا نكتشف ما إذا كان موضع الشحنة الثالثة ثابتًا أم غير مستقر.

(في حالة التوازن المستقر ، الجسم ، الذي أخرج من وضع التوازن ، يعود إليه ، في توازن غير مستقر ، يتحرك بعيدًا عنه)

مع الإزاحة الأفقية ، تتغير قوى التنافر F31 و F32 بسبب تغيير المسافات بين الشحنات ، مما يعيد الشحنة إلى وضع التوازن.

مع الإزاحة الأفقية ، يكون توازن الشحنة q3 مستقرًا.

مع الإزاحة الرأسية ، يدفع الناتج F31 ​​، F32 للخارج q3

انتقل إلى صفحة:

الموضوع 1.1 الرسوم الكهربائية.

القسم 1 أساسيات الديناميكا الكهربائية

1. كهربة الهيئات. مفهوم مقدار الشحنة.

قانون الحفظ.

2. قوى التفاعل بين الشحنات.

قانون كولوم.

3. السماحية العازلة للوسط.

4. النظام الدوليوحدات في الكهرباء.

1. كهربة الهاتف. مفهوم مقدار الشحنة.

قانون الحفظ.

إذا تم وضع سطحين على اتصال وثيق ، فحينئذٍ متوفرة انتقال الإلكترون من سطح إلى آخر ، بينما تظهر الشحنات الكهربائية على هذه الأسطح.

هذه الظاهرة تسمى الكهرباء. أثناء الاحتكاك ، تزداد مساحة التلامس الوثيق للأسطح ، ويزداد أيضًا حجم الشحنة على السطح - وتسمى هذه الظاهرة بالكهرباء عن طريق الاحتكاك.

في عملية الكهربة ، يتم إعادة توزيع الشحنات ، ونتيجة لذلك يتم شحن كلا السطحين بنفس المقدار ، مقابل رسوم الإشارة.

لان جميع الإلكترونات لها نفس الشحنات (سالبة) e \ u003d 1.6 10 C ، ثم لتحديد الشحنة على السطح (q) ، تحتاج إلى معرفة عدد الإلكترونات الزائدة أو النقص على السطح (N) و شحنة إلكترون واحد.

في عملية الكهربة ، لا تظهر الشحنات الجديدة أو تختفي ، ولكنها تحدث فقط. إعادة التوزيعبين الأجسام أو أجزاء الجسم ، وبالتالي تظل الشحنة الكلية لنظام مغلق من الأجسام ثابتة ، وهذا هو معنى قانون حفظ الرسوم.

2. قوى التفاعل بين الشحنات.

قانون كولوم.

تتفاعل الشحنات الكهربائية مع بعضها البعض ، كونها على مسافة ، بينما الشحنات المتشابهة تتنافر ، وعلى عكس الشحنات تجتذب.

اكتشف لأول مرة يختبرالتي تعتمد عليها قوة التفاعل بين الشحنات ، استنتج العالم الفرنسي كولوم واستنتج قانونًا يسمى قانون كولوم. القانون الأساسي أي بناء على الخبرات. في اشتقاق هذا القانون ، استخدم كولوم ميزان الالتواء.

3) ك - المعامل الذي يعبر عن الاعتماد على البيئة.

صيغة قانون كولوم.

تتناسب قوة التفاعل بين شحنتين ثابتتين بشكل مباشر مع ناتج مقادير هذه الشحنات وتتناسب عكسياً مع مربع المسافات بينهما ، وتعتمد على البيئة التي توجد فيها هذه الشحنات ، ويتم توجيهها على طول خط مستقيم يربط بين مراكز هذه الرسوم.

3. سماحية العازلة للوسط.

E هو ثابت العزل الكهربائي للوسيط ، ويعتمد على الوسط المحيط بالشحنات.

E \ u003d 8.85 * 10 - ثابت فيزيائي ، سماحية الفراغ.

E - السماحية النسبية للوسط ، توضح عدد المرات التي تكون فيها قوة التفاعل بين الشحنات النقطية في الفراغ أكبر منها في وسط معين. في الفراغ ، أقوى تفاعل بين الشحنات.

4. النظام الدولي للوحدات في الكهرباء.

الوحدة الأساسية للكهرباء في نظام SI هي التيار في 1A ، وجميع وحدات القياس الأخرى مشتقة من 1Ampere.

1Cl - مقدار الشحنة الكهربائية التي تحملها الجسيمات المشحونة عبر المقطع العرضي للموصل بقوة تيار 1A لمدة 1 ثانية.

الموضوع 1.2 الحقل الكهربائي

1. المجال الكهربائي - كيف نوع خاصقضيه.

6. العلاقة بين فرق الجهد وشدة المجال الكهربائي.

1. المجال الكهربائي - كنوع خاص من المادة.

في الطبيعة ، كنوع من المادة ، يوجد مجال كهرومغناطيسي. في مناسبات مختلفةيتجلى المجال الكهرومغناطيسي بطرق مختلفة ، على سبيل المثال ، يظهر المجال الكهربائي فقط بالقرب من الشحنات الثابتة ، وهو ما يسمى بالكهرباء الساكنة. بالقرب من الشحنات المتنقلة ، يمكن للمرء اكتشاف المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، والتي تمثل معًا الحقول الكهرومغناطيسية.

ضع في اعتبارك خصائص المجالات الكهروستاتيكية:

1) يتم إنشاء مجال إلكتروستاتيكي بواسطة الشحنات الثابتة ، ويمكن اكتشاف هذه الحقول

بمساعدة رسوم الاختبار (شحنة موجبة صغيرة) ، لأن فقط عليهم ، يمارس المجال الكهربائي تأثيرًا قويًا يطيع قانون كولوم.

2. شدة المجال الكهربائي.

المجال الكهربائي كنوع من المادة له طاقة وكتلة وينتشر في الفضاء بسرعة محدودة وليس له حدود نظرية.

من الناحية العملية ، يعتبر أنه لا يوجد مجال إذا لم يكن له تأثير ملحوظ على رسوم الاختبار.

نظرًا لأنه يمكن اكتشاف المجال باستخدام تأثير القوة على شحنات الاختبار ، فإن السمة الرئيسية للمجال الكهربائي هي توتر.

إذا تم إدخال رسوم اختبار ذات مقادير مختلفة في نفس نقطة المجال الكهربائي ، فعندئذٍ بين القوة النشطةوحجم شحنة الاختبار هو علاقة تناسبية مباشرة.

معامل التناسب بين القوة المؤثرة وحجم الشحنة هو شدة E.

E \ u003d - صيغة لحساب شدة المجال الكهربائي ، إذا كانت q \ u003d 1 C ، إذن | ه | = | F |

التوتر هو سمة القوة المميزة لنقاط المجال الكهربائي ، لأن إنه يساوي عدديًا القوة المؤثرة على شحنة مقدارها 1 ج عند نقطة معينة في المجال الكهربائي.

التوتر هو كمية متجهية ، متجه الشدة يتزامن في الاتجاه مع متجه القوة الذي يعمل على شحنة موجبة في نقطة معينة من المجال الكهربائي.

3. خطوط شدة المجال الكهربائي. مجال كهربائي متجانس.

من أجل تصور المجال الكهربائي ، أي بيانيا ، استخدم خطوط شدة المجال الكهربائي. هذه هي هذه الخطوط ، التي تسمى بخلاف ذلك خطوط القوة ، التي تتطابق في الاتجاه مع متجهات الشدة عند نقاط المجال الكهربائي التي تمر من خلالها هذه الخطوط ،

خطوط التوتر لها الخصائص التالية:

1) ابدأ من نقطة البيع. تنتهي الشحنات - بالسالب ، أو تبدأ بالإيجابية. يشحن ويذهب إلى ما لا نهاية ، أو يأتي من اللانهاية وينتهي بشحنات موجبة ..

2) هذه الخطوط مستمرة ولا تتقاطع في أي مكان.

3) كثافة الخط (عدد الخطوط لكل وحدة مساحة) وشدة المجال الكهربائي في علاقة مباشرة وتناسبية.

في المجال الكهربائي المنتظم ، تكون الشدة في جميع نقاط المجال هي نفسها ؛ رسمياً ، يتم تصوير هذه الحقول بخطوط متوازية على مسافة متساوية من بعضها البعض. يمكن الحصول على مثل هذا المجال بين لوحين متوازيين مشحونين على مسافة صغيرة من بعضهما البعض.

4. العمل على حركة الشحنة في مجال كهربائي.

دعونا نضع شحنة كهربائية في مجال كهربائي موحد. ستعمل القوات على التهمة من جانب الميدان. إذا تم نقل الشحنة ، يمكن إنجاز العمل.

عمل مثالي على المؤامرات:

A \ u003d q E d - صيغة لحساب عمل تحريك الشحنة في مجال كهربائي.

الخلاصة: لا يعتمد عمل تحريك شحنة في مجال كهربائي على شكل المسار ، ولكنه يعتمد على مقدار الشحنة التي يتم تحريكها (q) ، وشدة المجال (E) ، وكذلك على اختيار نقاط بداية ونهاية الحركة (د).

إذا تم تحريك شحنة في مجال كهربائي على طول دائرة مغلقة ، فسيكون الشغل المنجز مساويًا لـ 0. تسمى هذه الحقول الحقول المحتملة. تمتلك الهيئات في مثل هذه المجالات طاقة كامنة ، أي تحتوي الشحنة الكهربائية في أي نقطة من المجال الكهربائي على طاقة ، والعمل المنجز في المجال الكهربائي يساوي الفرق في طاقات جهد الشحنة عند نقطتي الحركة الأولية والنهائية.

5. المحتملة. التباينات المحتملة. الجهد االكهربى.

إذا تم وضع شحنة بأحجام مختلفة في نقطة معينة من المجال الكهربائي ، فإن الطاقة الكامنة للشحنة وحجمها يتناسبان بشكل مباشر.

- (فاي) نقطة المجال الكهربائي

الإمكانات هي خاصية طاقة لنقاط المجال الكهربائي ، لأن إنها تساوي عدديًا الطاقة الكامنة لشحنة مقدارها 1 ج عند نقطة معينة في المجال الكهربائي.

على مسافات متساوية من شحنة نقطية ، فإن إمكانات نقاط المجال هي نفسها. تشكل هذه النقاط سطحًا له إمكانات متساوية ، وتسمى هذه الأسطح الأسطح متساوية الجهد. على متن الطائرة هي عبارة عن دوائر ، في الفضاء هي مجالات.

الجهد االكهربى

صيغ لحساب عمل تحريك شحنة في مجال كهربائي.

1V هو الجهد بين نقطتي المجال الكهربائي عند التحرك حيث تعمل شحنة 1C بمقدار 1 J.

الصيغة التي تحدد العلاقة بين قوة المجال الكهربائي والجهد وفرق الجهد.

التوتر يساوي عدديًا الجهد أو فرق الجهد بين نقطتين من المجال المأخوذ على طول نفس خط المجال على مسافة 1 متر. تعني العلامة (-) أن متجه الشدة يتم توجيهه دائمًا نحو نقاط المجال ذات الإمكانات المتناقصة.

منشورات تستند إلى مواد د. يانكولي. "الفيزياء في مجلدين" 1984 المجلد 2.

توجد قوة بين الشحنات الكهربائية. كيف تعتمد على حجم الشحنات وعوامل أخرى؟
تم التحقيق في هذا السؤال في ثمانينيات القرن الثامن عشر بواسطة الفيزيائي الفرنسي تشارلز كولوم (1736-1806). استخدم ميزانًا للالتواء مشابهًا جدًا لتلك المستخدمة من قبل كافنديش لتحديد ثابت الجاذبية.
إذا تم تطبيق شحنة على الكرة في نهاية قضيب معلق على خيط ، فإن القضيب ينحرف قليلاً ، ويلتف الخيط ، وستكون زاوية دوران الخيط متناسبة مع القوة المؤثرة بين الشحنات (التوازن الالتوائي) . بمساعدة هذا الجهاز ، حدد كولوم اعتماد القوة على حجم الشحنات والمسافة بينها.

في ذلك الوقت ، لم تكن هناك أدوات لتحديد حجم الشحنة بدقة ، لكن كولوم تمكن من تحضير كرات صغيرة بنسبة شحن معروفة. قال إنه إذا تم توصيل الكرة الموصلة المشحونة بنفس الكرة غير المشحونة تمامًا ، فسيتم توزيع الشحنة على الكرة الأولى ، بسبب التناظر ، بالتساوي بين الكرتين.
أعطاه هذا القدرة على تلقي رسوم كانت 1/2 ، 1/4 ، إلخ. من الأصل.
على الرغم من بعض الصعوبات المرتبطة بتحريض الشحنات ، تمكن كولوم من إثبات أن القوة التي يعمل بها جسم مشحون على جسم مشحون صغير آخر تتناسب طرديًا مع الشحنة الكهربائية لكل منها.
بمعنى آخر ، إذا تمت مضاعفة شحنة أي من هذه الأجسام ، فستتضاعف القوة أيضًا ؛ ومع ذلك ، إذا تضاعفت شحنات كلا الجسمين في نفس الوقت ، فستصبح القوة أكبر بأربع مرات. هذا صحيح بشرط أن تظل المسافة بين الأجسام ثابتة.
من خلال تغيير المسافة بين الأجسام ، اكتشف كولوم أن القوة المؤثرة بينهما تتناسب عكسياً مع مربع المسافة: إذا تضاعفت المسافة ، على سبيل المثال ، تصبح القوة أصغر أربع مرات.

لذا ، خلص كولوم إلى أن القوة التي يعمل بها جسم صغير مشحون (في الحالة المثالية ، شحنة نقطية ، أي جسم مثل نقطة مادة بدون أبعاد مكانية) على جسم مشحون آخر تتناسب مع ناتج شحناته س 1 و س 2 ويتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينهما:

هنا ك- معامل التناسب.
تُعرف هذه العلاقة بقانون كولوم. تم تأكيد صحتها من خلال تجارب دقيقة ، أكثر دقة من تجارب كولوم الأصلية التي يصعب إعادة إنتاجها. تم تعيين الأس 2 حاليًا بدقة 10-16 ، أي إنها تساوي 2 ± 2 × 10 -16.

نظرًا لأننا نتعامل الآن مع كمية جديدة - شحنة كهربائية ، يمكننا اختيار وحدة قياس بحيث يكون ثابت k في الصيغة يساوي واحدًا. في الواقع ، كان نظام الوحدات هذا مستخدمًا على نطاق واسع في الفيزياء حتى وقت قريب.

هذا هو نظام CGS (سنتيمتر - جرام - ثانية) ، والذي يستخدم وحدة الشحن الكهروستاتيكية ، CGS. حسب التعريف ، يتفاعل جسمان صغيران ، كل منهما شحنة 1 CGSE ، يقعان على مسافة 1 سم من بعضهما البعض ، بقوة 1 داين.

الآن ، ومع ذلك ، غالبًا ما يتم التعبير عن الشحنة في نظام SI ، حيث تكون وحدتها هي قلادة (C).
التعريف الدقيق للقلادة من خلال كهرباءوسيتم إعطاء المجال المغناطيسي لاحقًا.
في نظام SI ، الثابت كله قيمة ك\ u003d 8.988 × 10 9 نانومتر 2 / كل 2.

الشحنات الناتجة عن الكهربة عن طريق احتكاك الأشياء العادية (الأمشاط ، المساطر البلاستيكية ، إلخ) هي بالترتيب من حيث الحجم ، ميكرو كولوم وأقل (1 درجة مئوية = 10 -6 درجة مئوية).
شحنة الإلكترون (سالبة) تساوي تقريبًا 1.602 × 10 -19 درجة مئوية. هذه هي أصغر شحنة معروفة ؛ إنه ذو أهمية أساسية ويشار إليه بالرمز ه، غالبًا ما يطلق عليها الشحنة الأولية.
ه= (1.6021892 ± 0.0000046) × 10-19 درجة مئوية ، أو ه≈ 1.602 × 10 -19 درجة مئوية.

نظرًا لأن الجسم لا يمكن أن يكتسب أو يفقد جزءًا من الإلكترون ، يجب أن تكون الشحنة الكلية للجسم عددًا صحيحًا مضاعفًا للشحنة الأولية. يقولون أن الشحنة كمية (أي أنها يمكن أن تأخذ قيمًا منفصلة فقط). ومع ذلك ، منذ شحنة الإلكترون هصغير جدًا ، ولا نلاحظ عادةً عدم تحيز الشحنات العيانية (حوالي 10 13 إلكترونًا يتوافق مع شحنة 1 درجة مئوية) ونعتبر الشحنة مستمرة.

تصف صيغة كولوم القوة التي تعمل بها شحنة واحدة على أخرى. يتم توجيه هذه القوة على طول الخط الذي يربط الشحنات. إذا كانت علامات الشحنات هي نفسها ، فإن القوى المؤثرة على الشحنات يتم توجيهها في اتجاهين متعاكسين. إذا كانت علامات التهم مختلفة ، فإن القوى المؤثرة في التهم موجهة نحو بعضها البعض.
لاحظ أنه وفقًا لقانون نيوتن الثالث ، فإن القوة التي تؤثر بها شحنة واحدة على أخرى تكون مساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه للقوة التي تؤثر بها الشحنة الثانية على الأولى.
يمكن كتابة قانون كولوم في شكل متجه مثل القانون الجاذبيةنيوتن:

أين F 12- متجه القوة المؤثرة على الشحنة س 1 شحنة جانبية س 2,
- المسافة بين الشحنات ،
- وحدة المتجه الموجهة من س 2 ك س 1.
يجب ألا يغيب عن البال أن الصيغة تنطبق فقط على الأجسام ، والمسافة بينها أكبر بكثير من أبعادها. من الناحية المثالية ، هذه هي رسوم النقاط. بالنسبة للأجسام ذات الحجم المحدود ، ليس من الواضح دائمًا كيفية حساب المسافة صبينهما ، خاصة وأن توزيع الشحنة يمكن أن يكون غير متجانس. إذا كان كلا الجسمين كرويين مع توزيع شحنة موحد ، إذن صتعني المسافة بين مراكز المجالات. من المهم أيضًا أن نفهم أن الصيغة تحدد القوة المؤثرة على شحنة معينة من شحنة واحدة. إذا كان النظام يشتمل على عدة (أو العديد) من الأجسام المشحونة ، فإن القوة الناتجة التي تعمل على شحنة معينة ستكون الناتجة (مجموع متجه) للقوى التي تعمل من الشحنات الأخرى. عادة ما يتم التعبير عن الثابت k في صيغة قانون كولوم في صيغة ثابت آخر ، ε 0 ، ما يسمى بالثابت الكهربائي ، والذي يرتبط بـ كنسبة ك = 1/ (4πε 0). مع وضع ذلك في الاعتبار ، يمكن إعادة كتابة قانون كولوم بالشكل التالي:

حيث بأعلى دقة حتى الآن

أو تقريبها

تم تبسيط كتابة معظم معادلات النظرية الكهرومغناطيسية الأخرى باستخدام ε 0 ، بسبب ال 4πغالبًا ما يتم تقليل النتيجة النهائية. لذلك ، سنستخدم قانون كولوم بشكل عام ، بافتراض أن:

يصف قانون كولوم القوة التي تعمل بين شحنتين في حالة السكون. عندما تتحرك الشحنات ، تنشأ قوى إضافية بينهما ، وسنناقشها في فصول لاحقة. هنا ، يتم النظر في الرسوم في حالة الراحة فقط ؛ هذا الفرع من عقيدة الكهرباء يسمى الكهرباء الساكنة.

يتبع. باختصار عن المنشور التالي:

المجال الكهربائي هو أحد عنصري التيار الكهربائي حقل مغناطيسي، وهو حقل متجه موجود حول الأجسام أو الجسيمات التي لها شحنة كهربائية ، أو يحدث عندما يتغير مجال مغناطيسي.

التعليقات والاقتراحات مقبولة ومرحب بها!

مفهوم الكهرباء. كهربة. الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية. الشحنة الأولية وخصائصها. قانون كولوم. شدة المجال الكهربائي. مبدأ التراكب. المجال الكهربائي كمظهر من مظاهر التفاعل. المجال الكهربائي لثنائي القطب الأولي.

يأتي مصطلح الكهرباء من الكلمة اليونانية إلكترون (العنبر).

الكهربة هي عملية نقل الطاقة الكهربائية إلى الجسم.

تكلفة. تم تقديم هذا المصطلح في القرن السادس عشر من قبل العالم والطبيب الإنجليزي جيلبرت.

الشحن الكهربائي عبارة عن قيمة سفلية فيزيائية تميز خصائص الأجسام أو الأجزاء للدخول في التفاعلات الكهرومغناطيسية وتحدد قوة هذه التفاعلات وطاقاتها.

خواص الشحنات الكهربائية:

1. في الطبيعة ، هناك نوعان من الشحنات الكهربائية. موجب (يظهر على الزجاج المحك بالجلد) وسالب (يظهر على الإيبونيت المحك بالفراء).

2. تتنافر الرسوم التي تحمل الاسم نفسه ، على عكس رسوم الجذب.

3. الشحنة الكهربائية غير موجودة بدون أجزاء من ناقلات الشحن (الإلكترون ، البروتون ، البوزيترون ، إلخ.) على سبيل المثال ، لا يمكن إزالة الشحنة الكهربية من الإلكترون والجسيمات الأولية المشحونة.

4. الشحنة الكهربائية منفصلة ، أي شحنة أي جسم هو عدد صحيح من مضاعفات شحنة كهربائية أولية ه(ه = 1.6 10-19 ج). الإلكترون (أي= 9,11 10 -31 كجم) و بروتون (ر ص = 1.67 10-27 كجم) هي على التوالي ناقلات الشحنة الأولية السالبة والموجبة (الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية الجزئية معروفة: – 1/3 ه و 2/3 ه - هذا هو الكواركات والكواركات المضادة ، لكن لم يتم العثور عليهم في الدولة الحرة).

5. الشحنة الكهربائية - المقدار غير متغير نسبيًا , أولئك. لا تعتمد على الإطار المرجعي ، وبالتالي لا تعتمد على ما إذا كانت هذه الشحنة تتحرك أو في حالة سكون.

6. من تعميم البيانات التجريبية ، القانون الأساسي للطبيعة - قانون حفظ الشحنة: المبلغ الجبري

أما الشحنات الكهربائية لأي نظام مغلق(أنظمة لا تتبادل الرسوم مع جهات خارجية) لا يزال دون تغيير ، بغض النظر عن العمليات التي تتم داخل هذا النظام.

تم تأكيد القانون بشكل تجريبي في عام 1843 من قبل فيزيائي إنجليزي

م. فاراداي ( 1791-1867) وغيرها ، أكدها ولادة وفناء الجزيئات والجسيمات المضادة.

وحدة الشحنة الكهربائية (الوحدة المشتقة ، حيث يتم تحديدها من خلال وحدة القوة الحالية) - قلادة (ج): 1 ج - شحنة كهربائية ،

يمر عبر المقطع العرضي للموصل بقوة تيار 1 أ لمدة 1 ثانية.

جميع الأجسام في الطبيعة قادرة على أن تكون مكهربة ؛ الحصول على شحنة كهربائية. يمكن إجراء كهربة الهيئات طرق مختلفة: التلامس (الاحتكاك) ، الحث الكهروستاتيكي

يتم تقليل أي عملية شحن إلى فصل الشحنات ، حيث يظهر فائض شحنة موجبة على أحد الأجسام (أو جزء من الجسم) ، ويظهر فائض شحنة سالبة على الجانب الآخر (أو جزء آخر) من الجسم). لم يتغير العدد الإجمالي للتهم لكلتا العلامتين الموجودتين في الجثتين: يتم إعادة توزيع هذه التهم فقط بين الجثتين.

كهربة الأجسام أمر ممكن لأن الأجسام تتكون من جزيئات مشحونة. في عملية كهربة الأجسام ، يمكن للإلكترونات والأيونات التي تكون في حالة حرة أن تتحرك. تبقى البروتونات في النوى.

اعتمادًا على تركيز الشحنات المجانية ، يتم تقسيم الأجسام إلى الموصلات والعوازل وأشباه الموصلات.

الموصلات- الأجسام التي يمكن فيها خلط الشحنة الكهربائية مع حجمها. الموصلات تنقسم إلى مجموعتين:

1) موصلات من النوع الأول (معادن) - تحويل إلى

الشحنات (الإلكترونات الحرة) غير مصحوبة بمواد كيميائية

التحولات.

2) موصلات من النوع الثاني (على سبيل المثال ، الأملاح المنصهرة ،

نطاقات الحمض) - نقل الشحنات فيها (موجبة وسالبة

الأيونات) تؤدي إلى تغيرات كيميائية.

عوازل(على سبيل المثال ، الزجاج والبلاستيك) - الأجسام التي لا توجد فيها رسوم مجانية عمليًا.

أشباه الموصلات (مثل الجرمانيوم والسيليكون) تحتل

موقع وسيط بين الموصلات والعوازل. هذا التقسيم للأجسام تعسفي للغاية ، لكن الاختلاف الكبير في تركيزات الشحنات الحرة فيها يسبب اختلافات نوعية هائلة في سلوكهم ، وبالتالي يبرر تقسيم الأجسام إلى موصلات وعوازل كهربائية وأشباه موصلات.

كهرباء- علم الشحنات الثابتة

قانون كولوم.

قانون التفاعل نقطة ثابتة الشحنات الكهربائية

تم تركيبه تجريبيًا في عام 1785 بواسطة Sh. Coulomb باستخدام موازين الالتواء.

مواضيع مماثلة، والتي استخدمها جي كافنديش لتحديد ثابت الجاذبية (اكتشف هذا القانون سابقًا من قبل جي كافنديش ، لكن عمله ظل مجهولًا لأكثر من 100 عام).

نقطة تهمة ،يسمى الجسم المشحون أو الجسيم الذي يمكن إهمال حجمه مقارنة بالمسافة التي تفصل بينهما.

قانون كولوم: قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين في الفراغيتناسب مع الرسوم ف 1و q2 ،ويتناسب عكسياً مع مربع المسافة r بينهما :

ك - عامل التناسب حسب اختيار النظام

في SI

قيمة ε 0 اتصل ثابت كهربائي تشير إلى

رقم الثوابت الفيزيائية الأساسية ويساوي:

ε 0 = 8.85 10-12 ج 2 / نيوتن ∙ م 2

في شكل ناقل ، قانون كولوم في الفراغ له الشكل:

أين متجه نصف القطر يربط الشحنة الثانية بالشحنة الأولى ، F 12 هي القوة المؤثرة من الشحنة الثانية على الأولى.

دقة تطبيق قانون كولوم على مسافات كبيرة تصل إلى

10 7 م ، تم إنشاؤه أثناء دراسة المجال المغناطيسي باستخدام الأقمار الصناعية

في الفضاء القريب من الأرض. دقة تنفيذه على مسافات قصيرة تصل إلى 10 -17 م ، تم التحقق منه من خلال تجارب على تفاعل الجسيمات الأولية.

قانون كولوم في البيئة

في جميع الوسائط ، تكون قوة تفاعل كولوم أقل من قوة التفاعل في الفراغ أو الهواء. الكمية الفيزيائية التي توضح عدد المرات التي تكون فيها قوة التفاعل الكهروستاتيكي في الفراغ أكبر من تلك الموجودة في وسط معين ، وتسمى سماحية الوسط ويُشار إليها بالحرف ε.

ε = F في الفراغ / F في المتوسط

قانون كولوم نظرة عامةفي SI:

خصائص قوى كولوم.

1. قوى كولوم هي قوى من النوع المركزي لأنها موجهة على طول خط مستقيم يربط بين الشحنات

قوة كولوم هي قوة جذابة إذا كانت علامات الشحنات مختلفة وقوة طاردة إذا كانت علامات الشحنات هي نفسها.

3. بالنسبة لقوات كولوم ، فإن قانون نيوتن الثالث ساري المفعول

4. قوى كولوم طاعة لمبدأ الاستقلال أو التراكب ، لأن لن تتغير قوة التفاعل بين شحنتين نقطتين عندما تظهر الشحنات الأخرى بالقرب منها. القوة الناتجة للتفاعل الكهروستاتيكي التي تعمل على شحنة معينة تساوي مجموع متجه لقوى التفاعل لشحنة معينة مع كل شحنة للنظام على حدة.

F = F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N

تتم التفاعلات بين الشحنات عن طريق مجال كهربائي. المجال الكهربائي هو شكل خاص من أشكال وجود المادة ، يتم من خلاله التفاعل بين الشحنات الكهربائية. يتجلى المجال الكهربائي من خلال حقيقة أنه يعمل بقوة على أي شحنة أخرى يتم إدخالها في هذا المجال. يتم إنشاء مجال إلكتروستاتيكي بواسطة الشحنات الكهربائية الثابتة وينتشر في الفضاء بسرعة محدودة ج.

تسمى خاصية القوة للمجال الكهربائي بالقوة.

توتركهربائي في مرحلة ما يسمى الكمية المادية، تساوي نسبة القوة التي يعمل بها المجال على شحنة اختبار موجبة موضوعة عند نقطة معينة ، إلى وحدة هذه الشحنة.

شدة المجال لنقطة الشحنة q:

مبدأ التراكب:إن شدة المجال الكهربائي الناتج عن نظام الشحنات عند نقطة معينة في الفضاء تساوي مجموع المتجه لقوى المجالات الكهربائية التي تم إنشاؤها في هذه المرحلة بواسطة كل شحنة على حدة (في حالة عدم وجود شحنات أخرى).

موسوعي يوتيوب

1 / 5

✪ الدرس 213. الشحنات الكهربائية وتفاعلها. قانون كولوم

✪ 8 خلايا - 106. قانون كولوم

قانون كولوم

✪ فيزياء قانون حل مشكلة كولومب

✪ الدرس 215

ترجمات

الصياغة

يتم توجيه قوة تفاعل شحنتين نقطتين في الفراغ على طول الخط المستقيم الذي يربط بين هذه الشحنات ، وتتناسب مع مقاديرها وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما. إنها قوة جاذبة إذا كانت علامات الشحنات مختلفة ، وقوة منفرة إذا كانت هذه العلامات هي نفسها.

من المهم ملاحظة أنه لكي يكون القانون صحيحًا ، من الضروري:

1. الشحنات النقطية ، أي المسافة بين الأجسام المشحونة يجب أن تكون أكبر بكثير من حجمها. ومع ذلك ، يمكن إثبات أن قوة التفاعل بين شحنتين موزعتين حجميًا مع توزيعات مكانية متناظرة كرويًا غير متقاطعة تساوي قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين مكافئتين تقعان في مراكز التناظر الكروي ؛
2. جمودهم. بخلاف ذلك ، تدخل تأثيرات إضافية حيز التنفيذ: المجال المغناطيسي للشحنة المتحركة وقوة لورنتز الإضافية المقابلة التي تعمل على شحنة متحركة أخرى ؛
3. ترتيب الشحنات في الفراغ.

ومع ذلك ، مع بعض التعديلات ، فإن القانون صالح أيضًا لتفاعلات الرسوم في وسيط ونقل الرسوم.

في شكل ناقل ، في صياغة S.Coulomb ، يتم كتابة القانون على النحو التالي:

و → 12 = ك ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 2 ⋅ r → 12 r 12، (displaystyle (vec (F)) _ (12) = k cdot (frac (q_ (1) cdot q_ (2)) (r_ (12) ^ (2))) \ cdot (\ frac ((\ vec (r)) _ (12)) (r_ (12))) ،)

أين و → 12 (displaystyle (vec (F)) _ (12))هي القوة التي تعمل بها الشحنة 1 على الشحنة 2 ؛ q 1، q 2 (displaystyle q_ (1) q_ (2))- حجم التهم ؛ r → 12 (\ displaystyle (\ vec (r)) _ (12))- متجه نصف القطر (متجه موجه من الشحنة 1 إلى الشحنة 2 ، ومتساوٍ بالقيمة المطلقة للمسافة بين الشحنات - r 12 (displaystyle r_ (12))); ك (displaystyle k)- معامل التناسب.

معامل في الرياضيات او درجة ك

ك = 1 ε. (displaystyle k = (frac (1) (varepsilon))). ل = ٤ ١ ε ε ٠. (displaystyle k = (frac (1) (4 pi varepsilon varepsilon _ (0))).)

قانون كولوم في ميكانيكا الكم

قانون كولوم من وجهة نظر الديناميكا الكهربائية الكمية

قصة

لأول مرة للتحقيق تجريبيًا ، اقترح G.V.Richmann قانون تفاعل الأجسام المشحونة كهربائيًا في 1752-1753. وكان ينوي أن يستخدم لهذا الغرض "المؤشر" الكهربي الذي صممه. تم منع تنفيذ هذه الخطة بسبب الموت المأساوي لريتشمان.

قبل ما يقرب من 11 عامًا من كولوم ، في عام 1771 ، تم اكتشاف قانون تفاعل الشحنات بشكل تجريبي بواسطة G. لفترة طويلة(أكثر من 100 عام) ظلت مجهولة. تم تسليم مخطوطات كافنديش إلى دي سي ماكسويل فقط في عام 1874 من قبل أحد أحفاد كافنديش في الافتتاح الكبير لمختبر كافنديش وتم نشرها في عام 1879.

كان كولوم نفسه منخرطًا في دراسة التواء الخيوط واخترع توازن الالتواء. اكتشف قانونه ، مستخدماً إياهم لقياس قوى تفاعل الكرات المشحونة.

قانون كولوم ومبدأ التراكب ومعادلات ماكسويل

درجة دقة قانون كولوم

قانون كولوم هو حقيقة مثبتة تجريبيا. تم تأكيد صحتها مرارًا وتكرارًا من خلال تجارب أكثر دقة. أحد اتجاهات هذه التجارب هو التحقق مما إذا كان الأس يختلف صفي قانون 2. لإيجاد هذا الاختلاف ، يتم استخدام حقيقة أنه إذا كانت الدرجة تساوي تمامًا اثنين ، فلا يوجد مجال داخل التجويف في الموصل ، مهما كان شكل التجويف أو الموصل.

تم إجراء هذه التجارب لأول مرة بواسطة Cavendish وكررها Maxwell في شكل محسّن ، للحصول على أقصى فرق للأس في قوة اثنين 1 21600 (\ displaystyle (\ frac (1) (21600)))

أظهرت التجارب التي أجريت في عام 1971 في الولايات المتحدة بواسطة E.R Williams و D.E Voller و G.A Hill أن الأس في قانون كولوم هو 2 في الداخل (3، 1 ± 2، 7) × 10 - 16 (\ displaystyle (3،1 \ pm 2،7) \ times 10 ^ (- 16)) .

لاختبار دقة قانون كولوم على المسافات داخل الذرة ، استخدم دبليو يو لامب ورذرفورد في عام 1947 قياسات الترتيب النسبي لمستويات طاقة الهيدروجين. وجد أنه حتى على مسافات ذرية 10 8 سم ، فإن الأس في قانون كولوم يختلف عن 2 بما لا يزيد عن 10 9.

معامل في الرياضيات او درجة ك (displaystyle k)في قانون كولوم يبقى ثابتًا حتى 15-10 −6.

تصحيحات لقانون كولوم في الديناميكا الكهربائية الكمية

على مسافات قصيرة (بترتيب موجة إلكترون طويلة كومبتون ، λ e = ℏ م. ج (displaystyle lambda _ (e) = (tfrac (hbar) (m_ (e) c)))≈3.86⋅10 13 م ، أين م. (displaystyle m_ (e))هي كتلة الإلكترون ℏ (displaystyle hbar)- ثابت بلانك ، ج (displaystyle c)- سرعة الضوء) تصبح التأثيرات غير الخطية للديناميكا الكهربية الكمومية مهمة: يتم فرض التبادل الافتراضي للفوتون عن طريق توليد أزواج من الإلكترون-البوزيترون الافتراضي (بالإضافة إلى ميوون-أنتيمون وتون-أنتيتون) ، ويقل تأثير الفحص (انظر إعادة التطبيع). يؤدي كلا التأثيرين إلى ظهور شروط ترتيب متناقصة بشكل كبير هـ - 2 ص / λ هـ (displaystyle e ^ (- 2r / lambda _ (e)))في التعبير عن الطاقة الكامنة لتفاعل الشحنات ، ونتيجة لذلك ، زيادة في قوة التفاعل مقارنة بتلك التي يحسبها قانون كولوم.

Φ (r) = Q r ⋅ (1 + α 4 π e - 2 r / λ e (r / λ e) 3/2)، (displaystyle Phi (r) = (frac (Q) (r) ) \ cdot \ left (1 + (\ frac (\ alpha) (4 (\ sqrt (\ pi)))) (\ frac (e ^ (- 2r / \ lambda _ (e))) ((r / \ لامدا _ (هـ)) ^ (3/2))) \ يمين) ،)

أين λ e (displaystyle lambda _ (e))- إلكترون الطول الموجي كومبتون ، α = e 2 ℏ ج (displaystyle alpha = (tfrac (e ^ (2)) (hbar c)))- بنية دقيقة ثابتة و r ≫ λ e (displaystyle r gg lambda _ (e)).

على مسافات النظام λ W = ℏ m w ج (displaystyle lambda _ (W) = (tfrac (hbar) (m_ (w) c)))~ 10 −18 م ، أين م ث (displaystyle m_ (w))هي كتلة W-boson ، وتأثيرات كهروضعيفة تلعب دورًا.

في المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية القوية ، والتي تشكل جزءًا كبيرًا من فراغ مجال الانهيار (بترتيب م. ص 2. ه λ. (displaystyle (tfrac (m_ (e) c ^ (2)) (e lambda _ (e))))~ 10 18 فولت / م أو م. ج. ه (displaystyle (tfrac (m_ (e) c) (e lambda _ (e))))~ 10 9 T ، لوحظت مثل هذه الحقول ، على سبيل المثال ، بالقرب من بعض أنواع النجوم النيوترونية ، أي النجوم المغناطيسية) تم انتهاك قانون كولوم أيضًا بسبب تشتت Delbrück لفوتونات التبادل على فوتونات المجال الخارجي والتأثيرات غير الخطية الأخرى الأكثر تعقيدًا. تقلل هذه الظاهرة من قوة كولوم ليس فقط في المقاييس الدقيقة ولكن أيضًا في المقاييس الكبيرة ، على وجه الخصوص ، في مجال مغناطيسي قوي ، لا تتناسب إمكانات كولوم بشكل عكسي مع المسافة ، ولكن بشكل أسي.

قانون كولوم وفراغ الاستقطاب

قانون كولوم ونواة فائقة الثقل

معنى قانون كولوم في تاريخ العلم

قانون كولوم هو أول قانون أساسي مفتوح تم صياغته رياضيًا للظواهر الكهرومغناطيسية. مع اكتشاف قانون كولوم بدأ العلم الحديثحول الكهرومغناطيسية.

أنظر أيضا

الروابط

• قانون كولوم (درس بالفيديو ، برنامج الصف العاشر)

ملحوظات

1. سيفوخين د. دورة عامةالفيزياء. - م: فيزاتليت ؛ دار نشر MIPT ، 2004. - المجلد الثالث. كهرباء. - س 17. - 656 ص. - ردمك 5-9221-0227-3.
2. Landau LD ، Lifshitz EM الفيزياء النظرية: كتاب مدرسي. البدل: للجامعات. الخامس 10 ر. 2 نظرية المجال. - الطبعة الثامنة ، ستيريو. - م: FIZMATLIT، 2001. - 536 ص. -