Strana 56
ZAKON KULONA
Osnovni zakon elektrostatike. Koncept tačkasto naelektrisanog tela.
Mjerenje sile interakcije naboja pomoću torzijskih vaga. Coulombovi eksperimenti
Definicija točkastog naboja
Coulombov zakon. Formulacija i formula
Pendant Force
Definicija jedinice naknade
Koeficijent u Coulombovom zakonu
Poređenje elektrostatičkih i gravitacijskih sila u atomu
Ravnoteža statičkih naboja i njegovo fizičko značenje (na primjeru tri naboja)
Osnovni zakon elektrostatike je zakon interakcije dva nepokretna tačkasto naelektrisana tela.
Podigao ga je Charles Augustin Coulomb 1785. godine i nosi njegovo ime.
U prirodi tačkasto nabijena tijela ne postoje, ali ako je udaljenost između tijela višestruko veća od njihove veličine, tada ni oblik ni veličina nabijenih tijela ne utječu bitno na interakcije među njima. U sadašnjem slučaju, ova tijela se mogu smatrati tačkom.
Jačina interakcije nabijenih tijela ovisi o svojstvima sredine između njih. Iskustvo pokazuje da vazduh ima vrlo malo uticaja na jačinu ove interakcije, a ispostavilo se da je skoro ista kao u vakuumu.
Kulonsko iskustvo
Prve rezultate o mjerenju sile interakcije naelektrisanja dobio je 1785. godine francuski naučnik Charles Augustin Coulomb.
Za mjerenje sile korištena je torzijska vaga.
Mala, tanka, nenabijena zlatna kugla na jednom kraju izolacijske grede obješene na elastičnu srebrnu nit bila je uravnotežena na drugom kraju grede papirnim diskom.
Okretanjem klackalice doveden je u kontakt sa istom nepokretnom naelektrisanom sferom, usled čega je njen naboj ravnomerno podeljen između sfera.
Prečnik sfera je izabran da bude mnogo manji od udaljenosti između njih kako bi se eliminisao uticaj veličine i oblika naelektrisanih tela na rezultate merenja.
Tačkasti naboj je nabijeno tijelo čija je veličina mnogo manja od udaljenosti njegovog mogućeg djelovanja na druga tijela.
Sfere sa istim nabojem počele su da se odbijaju, uvijajući nit. Ugao rotacije bio je proporcionalan sili koja djeluje na sferu koja se kreće.
Udaljenost između sfera je izmjerena pomoću posebne kalibracione skale.
Pražnjenjem sfere 1 nakon mjerenja sile i ponovnog povezivanja sa stacionarnom sferom, Coulomb je smanjio naboj na sferama u interakciji za 2,4,8, itd. jednom,
Coulombov zakon:
Sila interakcije između dva nepokretna točkasta naboja u vakuumu direktno je proporcionalna umnošku modula naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, a usmjerena je duž prave linije koja povezuje naboje.
k je koeficijent proporcionalnosti, u zavisnosti od izbora sistema jedinica.
Sila F12 naziva se Kulonova sila
Kulonova sila je centralna, tj. usmjerene duž linije koja spaja centre naboja.
U SI jedinica naboja nije osnovna, već derivacija i definirana je pomoću Ampera, osnovne SI jedinice.
Privjesak - električni naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča pri jakosti struje od 1 A u 1 s
U SI, koeficijent proporcionalnosti u Coulombovom zakonu za vakuum je:
k = 9*109 Nm2/Cl2
Koeficijent se često piše kao:
e0 \u003d 8,85 * 10-12 C2 / (Nm2) - električna konstanta
Coulombov zakon je napisan u obliku:
Ako se tačkasto naelektrisanje stavi u medijum sa relativnom permitivnošću e osim vakuuma, Kulonova sila će se smanjiti za faktor e.
Za bilo koji medij osim vakuuma e > 1
Prema Coulombovom zakonu, dva točkasta naboja od po 1 C, na udaljenosti od 1 m u vakuumu, djeluju u interakciji sa silom
Iz ove procene se može videti da je naelektrisanje od 1 kulona veoma velika količina.
U praksi koriste višestruke jedinice - μC (10-6), μC (10-3)
1 C sadrži 6 * 1018 naboja elektrona.
Na primjeru sila interakcije između elektrona i protona u jezgri, može se pokazati da je elektrostatička sila interakcije između čestica veća od sile gravitacije za oko 39 redova veličine. Međutim, elektrostatičke sile interakcije makroskopskih tijela (općenito električno neutralnih) određene su samo vrlo malim viškom naboja koji se nalaze na njima, te stoga nisu velike u usporedbi s gravitacijskim silama koje ovise o masi tijela.
Da li je moguće uravnotežiti statički naboj?
Razmotrimo sistem dva pozitivna tačkasta naelektrisanja q1 i q2.
Pronađimo u kojoj tački treba postaviti treće naelektrisanje da bude u ravnoteži, a također odredimo veličinu i predznak ovog naboja.
Statička ravnoteža nastaje kada je geometrijski (vektorski) zbir sila koje djeluju na tijelo jednak nuli.
Tačka u kojoj se sile koje djeluju na treće naelektrisanje q3 mogu međusobno poništiti nalazi se na liniji između naboja.
U ovom slučaju, naboj q3 može biti i pozitivan i negativan. U prvom slučaju kompenziraju se odbojne sile, u drugom sile privlačnosti.
Uzimajući u obzir Coulombov zakon, statička ravnoteža naboja će biti u slučaju:
Ravnoteža naelektrisanja q3 ne zavisi od njegove vrednosti ili od predznaka naelektrisanja.
Kada se naboj q3 promijeni, i privlačne sile (q3 pozitivne) i sile odbijanja (q3 negativne) se mijenjaju podjednako
Rješavanjem kvadratne jednadžbe za x, može se pokazati da će naboj bilo kojeg predznaka i veličine biti u ravnoteži u tački na udaljenosti x1 od naboja q1:
Hajde da saznamo da li će pozicija trećeg naboja biti stabilna ili nestabilna.
(U stabilnoj ravnoteži tijelo, izvađeno iz ravnotežnog položaja, vraća se u nju, u nestabilnoj ravnoteži se udaljava od nje)
S horizontalnim pomakom, odbojne sile F31, F32 se mijenjaju zbog promjene udaljenosti između naboja, vraćajući naboj u ravnotežni položaj.
Sa horizontalnim pomakom, ravnoteža naboja q3 je stabilna.
Sa vertikalnim pomakom, rezultantni F31, F32 istiskuju q3
Idi na stranicu:
Tema 1.1 ELEKTRIČNA NAPUNJENJA.
Odjeljak 1 OSNOVE ELEKTRODINAMIJE
1. Elektrifikacija tijela. Koncept veličine naboja.
Zakon održanja naboja.
2. Sile interakcije između naboja.
Coulombov zakon.
3. Dielektrična permitivnost medija.
4. Međunarodni sistem jedinica u električnoj energiji.
1. Elektrifikacija tel. Koncept veličine naboja.
Zakon održanja naboja.
Ako se dvije površine dovedu u bliski kontakt, onda dostupan tranzicija elektrona s jedne površine na drugu, dok se na tim površinama pojavljuju električni naboji.
Ovaj fenomen se naziva ELEKTRIKACIJA. Tijekom trenja povećava se površina bliskog kontakta površina, a povećava se i veličina naboja na površini - ova pojava se naziva ELEKTRIKACIJA TRENJEM.
U procesu elektrifikacije dolazi do preraspodjele naboja, uslijed čega su obje površine naelektrisane jednakim po veličini, suprotnim predznakom.
Jer svi elektroni imaju iste naboje (negativne) e = 1,6 10 C, tada da biste odredili naboj na površini (q), morate znati koliko elektrona ima višak ili nedostatak na površini (N) i naboj jednog elektrona.
U procesu elektrifikacije novi naboji se ne pojavljuju niti nestaju, već samo nastaju. preraspodjela između tijela ili dijelova tijela, stoga ukupni naboj zatvorenog sistema tijela ostaje konstantan, to je smisao ZAKONA OČUVANJA NABAVKA.
2. Sile interakcije između naboja.
Coulombov zakon.
Električni naboji međusobno djeluju, nalazeći se na udaljenosti, dok se slični naboji odbijaju, a različiti privlače.
Prvi put saznao iskusan od čega zavisi sila interakcije između naelektrisanja, francuski naučnik Coulomb je izveo zakon koji se naziva Kulonov zakon. Osnovni zakon tj. na osnovu iskustva. Prilikom izvođenja ovog zakona, Coulomb je koristio torzionu vagu.
3) k - koeficijent koji izražava zavisnost od sredine.
Formula Coulombovog zakona.
Sila interakcije između dva fiksna tačkasta naelektrisanja direktno je proporcionalna umnošku veličina ovih naelektrisanja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih, a zavisi od sredine u kojoj se ta naelektrisanja nalaze, a usmerena je duž prava linija koja povezuje centre ovih naboja.
3. Dielektrična permitivnost medija.
E je dielektrična konstanta medija, ovisi o mediju koji okružuje naboje.
E \u003d 8,85 * 10 - fizička konstanta, vakuumska permitivnost.
E - relativna permitivnost sredine, pokazuje koliko je puta sila interakcije između tačkastih naelektrisanja u vakuumu veća nego u datom mediju. U vakuumu, najjača interakcija između naboja.
4. Međunarodni sistem jedinica električne energije.
Osnovna jedinica za električnu energiju u SI sistemu je struja u 1A, sve ostale mjerne jedinice su izvedene iz 1Ampera.
1Cl - količina električnog naboja koju nabijene čestice nose kroz poprečni presjek vodiča pri jakosti struje od 1A za 1s.
Tema 1.2 ELEKTRIČNO POLJE
1. Električno polje – kao posebna vrsta materije.
6. Odnos između razlike potencijala i jačine električnog polja.
1. Električno polje - kao posebna vrsta materije.
U prirodi, kao vrsta materije, postoji elektromagnetno polje. U različitim slučajevima, elektromagnetno polje se manifestira na različite načine, na primjer, u blizini stacionarnih naboja, manifestira se samo električno polje, koje se naziva elektrostatičko. U blizini mobilnih naboja može se detektovati i električna i magnetna polja, koja zajedno predstavljaju ELEKTROMAGNETSKA POLJA.
Razmotrite svojstva elektrostatičkih polja:
1) Stacionarna naelektrisanja stvaraju elektrostatičko polje, takva polja se mogu detektovati
uz pomoć probnih naboja (mali pozitivni naboj), jer samo na njih električno polje vrši djelovanje sile, što je pokorno Kulonovom zakonu.
2. Jačina električnog polja.
Električno polje kao vrsta materije ima energiju, masu, širi se u prostoru konačnom brzinom i nema teorijske granice.
U praksi se smatra da nema polja ako nema primetan uticaj na test naelektrisanja.
Budući da se polje može detektovati djelovanjem sile na ispitna naboja, glavna karakteristika električnog polja je tenzija.
Ako se ispitni naboji različitih veličina uvedu u istu tačku električnog polja, tada postoji direktna proporcionalna veza između djelujuće sile i veličine ispitnog naboja.
Koeficijent proporcionalnosti između djelujuće sile i veličine naboja je intenzitet E.
E \u003d - formula za izračunavanje jakosti električnog polja, ako je q = 1 C, onda | e | = | F |
Napetost je karakteristika snage tačaka električnog polja, jer numerički je jednaka sili koja djeluje na naboj od 1 C u datoj tački električnog polja.
Napetost je vektorska veličina, vektor intenziteta se poklapa u pravcu sa vektorom sile koji deluje na pozitivno naelektrisanje u datoj tački električnog polja.
3. Linije jačine električnog polja. Homogeno električno polje.
Da bi se vizualiziralo električno polje, tj. grafički, koristite linije jakosti električnog polja. To su takve linije, inače zvane linije sila, tangente na koje se poklapaju u pravcu sa vektorima intenziteta u tačkama električnog polja kroz koje te linije prolaze,
Zatezne linije imaju sljedeća svojstva:
1) Počnite od poz. naboji završavaju - na negativnom, ili počinju na pozitivnim. naelektrisanja i idu u beskonačnost, ili dolaze iz beskonačnosti i završavaju pozitivnim nabojima..
2) Ove prave su neprekidne i nigde se ne seku.
3) Gustoća linija (broj linija po jedinici površine) i jačina električnog polja su u direktnoj i proporcionalnoj vezi.
U jednoličnom električnom polju, intenzitet u svim tačkama polja je isti; grafički su takva polja prikazana paralelnim linijama na jednakoj udaljenosti jedna od druge. Takvo polje se može dobiti između dvije paralelne ravne nabijene ploče na maloj udaljenosti jedna od druge.
4. Rad na kretanju naelektrisanja u električnom polju.
Postavimo električni naboj u jednolično električno polje. Sile će djelovati na naboj sa strane polja. Ako se punjenje pomjeri, posao se može obaviti.
Savršen rad na parcelama:
A \u003d q E d - formula za izračunavanje rada pomicanja naboja u električnom polju.
Zaključak: Rad kretanja naelektrisanja u električnom polju ne zavisi od oblika putanje, već zavisi od količine naelektrisanja koji se pomera (q), jačine polja (E), kao i od izbora početna i krajnja tačka kretanja (d).
Ako se naboj u električnom polju pomiče duž zatvorenog kola, tada će obavljeni rad biti jednak 0. Takva polja se nazivaju potencijalna polja. Tijela u takvim poljima imaju potencijalnu energiju, tj. električni naboj u bilo kojoj tački električnog polja ima energiju i rad u električnom polju jednak je razlici potencijalnih energija naboja u početnoj i konačnoj tački kretanja.
5. Potencijal. Razlika potencijala. Voltaža.
Ako su naboji različitih veličina postavljeni u datu tačku električnog polja, tada su potencijalna energija naboja i njegova veličina u direktnoj proporciji.
-(phi) potencijal tačke električnog polja
Potencijal je energetska karakteristika tačaka električnog polja, jer numerički je jednaka potencijalnoj energiji naboja od 1 C u datoj tački električnog polja.
Na jednakim udaljenostima od tačkastog naboja, potencijali tačaka polja su isti. Ove tačke formiraju površinu jednakog potencijala, a takve površine nazivamo ekvipotencijalnim površinama. Na ravni su to krugovi, u prostoru su sfere.
voltaža
Formule za izračunavanje rada kretanja naelektrisanja u električnom polju.
1V je napon između tačaka električnog polja pri kretanju u kojem naelektrisanje od 1C vrši rad od 1 J.
Formula koja uspostavlja odnos između jačine električnog polja, napona i razlike potencijala.
Napetost je numerički jednaka naponu ili razlici potencijala između dvije tačke polja uzetih duž iste linije polja na udaljenosti od 1m. Znak (-) znači da je vektor intenziteta uvijek usmjeren prema tačkama polja sa opadajućim potencijalom.
Publikacije zasnovane na materijalima D. Jankolija. "Fizika u dva toma" 1984 Sveska 2.
Između električnih naboja postoji sila. Kako to zavisi od veličine naboja i drugih faktora?
Ovo pitanje je 1780-ih istraživao francuski fizičar Charles Coulomb (1736-1806). Koristio je torzijsku vagu vrlo sličnu onima koje je koristio Cavendish za određivanje gravitacijske konstante.
Ako se na lopticu nanese naboj na kraju štapa okačenog na konac, štap lagano odstupa, konac se uvija, a kut rotacije konca bit će proporcionalan sili koja djeluje između naboja (torziona ravnoteža) . Uz pomoć ovog uređaja, Coulomb je odredio ovisnost sile o veličini naboja i udaljenosti između njih.
U to vrijeme nije bilo instrumenata za precizno određivanje veličine naboja, ali je Coulomb uspio pripremiti male kuglice sa poznatim omjerom naboja. Ako se nabijena provodna kugla, zaključio je, dovede u dodir sa potpuno istom nenabijenom kuglom, tada će se naboj prve, zbog simetrije, ravnomjerno rasporediti između te dvije kuglice.
To mu je dalo mogućnost da prima naknade koje su bile 1/2, 1/4, itd. od originala.
Uprkos nekim poteškoćama povezanim s indukcijom naelektrisanja, Coulomb je uspio dokazati da je sila kojom jedno nabijeno tijelo djeluje na drugo malo nabijeno tijelo direktno proporcionalna električnom naboju svakog od njih.
Drugim riječima, ako se naboj bilo kojeg od ovih tijela udvostruči, tada se i sila udvostručuje; ako se, međutim, naboji oba tijela udvostruče u isto vrijeme, tada će sila postati četiri puta veća. Ovo je tačno pod uslovom da rastojanje između tela ostane konstantno.
Promjenom udaljenosti između tijela, Coulomb je otkrio da je sila koja djeluje između njih obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti: ako se udaljenost, recimo, udvostruči, sila postaje četiri puta manja.
Dakle, zaključio je Coulomb, sila kojom jedno malo nabijeno tijelo (u idealnom slučaju tačkasti naboj, tj. tijelo poput materijalne tačke bez prostornih dimenzija) djeluje na drugo nabijeno tijelo proporcionalna je proizvodu njihovih naboja. Q 1 i Q 2 i obrnuto je proporcionalan kvadratu udaljenosti između njih:
Evo k- koeficijent proporcionalnosti.
Ova relacija je poznata kao Coulombov zakon; njegova valjanost potvrđena je pažljivim eksperimentima, mnogo preciznijim od Coulombovih originalnih eksperimenata koje je teško reproducirati. Eksponent 2 je trenutno postavljen sa tačnošću od 10 -16 , tj. jednako je 2 ± 2×10 -16 .
Pošto sada imamo posla sa novom veličinom - električnim nabojem, možemo izabrati takvu mjernu jedinicu da konstanta k u formuli bude jednaka jedinici. Zaista, takav sistem jedinica je do nedavno bio široko korišten u fizici.
Ovo je CGS (centimetar-gram-sekunda) sistem, koji koristi elektrostatičku jedinicu naelektrisanja, CGS. Po definiciji, dva mala tijela, svako sa nabojem od 1 CGSE, smještena na udaljenosti od 1 cm jedno od drugog, djeluju silom od 1 dina.
Sada se, međutim, naboj najčešće izražava u SI sistemu, gdje je njegova jedinica privjesak (C).
Tačna definicija privjeska u smislu električne struje i magnetnog polja bit će data kasnije.
U SI sistemu, konstanta k ima vrijednost k\u003d 8,988 × 10 9 Nm 2 / Cl 2.
Naelektrisanja koja nastaju trenjem običnih predmeta (češljevi, plastični lenjiri, itd.) su, po redu veličine, mikrokuloni i manje (1 μC = 10 -6 C).
Naboj elektrona (negativan) je približno jednak 1,602×10 -19 C. Ovo je najmanji poznati naboj; od fundamentalnog je značaja i označava se simbolom e, često se naziva elementarnim nabojem.
e\u003d (1,6021892 ± 0,0000046) × 10 -19 C, ili e≈ 1,602×10 -19 C.
Budući da tijelo ne može dobiti ili izgubiti djelić elektrona, ukupni naboj tijela mora biti cjelobrojni višekratnik elementarnog naboja. Kažu da je naboj kvantizovan (tj. može uzeti samo diskretne vrijednosti). Međutim, budući da je naelektrisanje elektrona e je vrlo mala, obično ne primjećujemo diskretnost makroskopskih naboja (oko 10 13 elektrona odgovara naboju od 1 μC) i smatramo da je naboj kontinuiran.
Coulombova formula karakterizira silu kojom jedan naboj djeluje na drugi. Ova sila je usmjerena duž linije koja povezuje naboje. Ako su predznaci naboja isti, tada su sile koje djeluju na naboje usmjerene u suprotnim smjerovima. Ako su znakovi naboja različiti, tada su sile koje djeluju na naboje usmjerene jedna prema drugoj.
Imajte na umu da je, u skladu sa trećim Newtonovim zakonom, sila kojom jedno naelektrisanje djeluje na drugo jednaka po veličini i suprotnog smjera od sile kojom drugo naelektrisanje djeluje na prvo.
Coulombov zakon se može napisati u vektorskom obliku poput Newtonovog zakona univerzalne gravitacije:
gdje F 12 - vektor sile koja djeluje na naboj Q 1 bočno punjenje Q 2,
- udaljenost između punjenja,
- jedinični vektor usmjeren od Q 2 k Q 1.
Treba imati na umu da je formula primjenjiva samo na tijela čija je udaljenost mnogo veća od njihovih dimenzija. U idealnom slučaju, ovo su punktovi. Za tijela konačne veličine nije uvijek jasno kako izračunati udaljenost r između njih, pogotovo jer raspodjela naboja može biti nehomogena. Ako su oba tijela kugle s ujednačenom raspodjelom naboja, onda r označava udaljenost između centara sfera. Također je važno razumjeti da formula određuje silu koja djeluje na dato punjenje iz jednog naboja. Ako sistem uključuje nekoliko (ili više) nabijenih tijela, tada će rezultujuća sila koja djeluje na dato naelektrisanje biti rezultanta (vektorski zbir) sila koje djeluju iz drugih naboja. Konstanta k u formuli Coulombovog zakona obično se izražava u terminima druge konstante, ε 0
, takozvana električna konstanta, koja se odnosi na k odnos k = 1/(4πε 0). Imajući ovo na umu, Coulombov zakon se može prepisati u sljedećem obliku:
gde sa najvećom preciznošću do sada
ili zaobljeni
Pisanje većine drugih jednadžbi elektromagnetske teorije je pojednostavljeno upotrebom ε 0 , zbog 4π krajnji rezultat je često smanjen. Stoga ćemo općenito koristiti Coulombov zakon, pod pretpostavkom da:
Coulombov zakon opisuje silu koja djeluje između dva naboja u mirovanju. Kada se naboji pokreću, između njih nastaju dodatne sile, o čemu ćemo raspravljati u narednim poglavljima. Ovdje se razmatraju samo naboji u mirovanju; ova grana doktrine elektriciteta se zove elektrostatika.
Nastavlja se. Ukratko o sledećoj publikaciji:
Električno polje - jedna od dvije komponente elektromagnetnog polja, koje je vektorsko polje koje postoji oko tijela ili čestica koje imaju električni naboj, ili koje se javlja kada se magnetsko polje promijeni.
Komentari i prijedlozi su prihvaćeni i dobrodošli!
Koncept električne energije. Elektrifikacija. Provodniki, poluprovodnici i dielektrici. Elementarni naboj i njegova svojstva. Coulombov zakon. Jačina električnog polja. Princip superpozicije. Električno polje kao manifestacija interakcije. Električno polje elementarnog dipola.
Izraz elektricitet dolazi od grčke riječi elektron (ćilibar).
Elektrizacija je proces prenošenja električne energije u tijelo.
naplatiti. Ovaj termin je u 16. veku uveo engleski naučnik i lekar Gilbert.
ELEKTRIČNO NABAVANJE JE FIZIČKA SKALARNA VRIJEDNOST KOJA KARAKTERISE SVOJSTVA TELA ILI ČESTICA DA ULAZU I ELEKTROMAGNETNE INTERAKCIJE I ODREĐUJE SILU I ENERGIJU OVIH INTERAKCIJA.
Svojstva električnih naboja:
1. U prirodi postoje dvije vrste električnih naboja. Pozitivni (pojavljuju se na staklu protrljanom o kožu) i negativni (pojavljuju se na ebonitu protrljanom o krzno).
2. Naboji istog imena odbijaju, za razliku od naboja privlače.
3. Električni naboj NE POSTOJI BEZ ČESTICA NOSAČA NABAVKA (elektrona, protona, pozitrona itd.) Na primer, e/naelektrisanje se ne može ukloniti sa elektrona i drugih elementarnih naelektrisanih čestica.
4. Električni naboj je diskretan, tj. naboj bilo kojeg tijela je cijeli broj višekratnik elementarnog električnog naboja e(e = 1,6 10 -19 C). Elektron (tj.= 9,11 10 -31 kg) i proton (t p = 1,67 10 -27 kg) su nosioci elementarnih negativnih i pozitivnih naboja (poznate su čestice s razdjelnim električnim nabojem: – 1/3 e i 2/3 e - ovo je kvarkovi i antikvarkovi , ali nisu pronađeni u slobodnom stanju).
5. Električni naboj - veličina relativistički invarijantna , one. ne zavisi od referentnog okvira, pa stoga ne zavisi od toga da li se ovaj naboj kreće ili miruje.
6. Iz generalizacije eksperimentalnih podataka, osnovni zakon prirode - zakon održanja naboja: algebarski zbir
ma električnih naboja bilo kojeg zatvorenog sistema(sistemi koji ne razmjenjuju naboje sa vanjskim tijelima) ostaje nepromijenjen, bez obzira na to koji se procesi odvijaju u ovom sistemu.
Zakon je eksperimentalno potvrdio 1843. godine engleski fizičar
M. Faraday ( 1791-1867) i drugi, potvrđeno rađanjem i poništavanjem čestica i antičestica.
Jedinica električnog naboja (izvedena jedinica, kako se određuje kroz jedinicu jačine struje) - privjesak (C): 1 C - električni naboj,
prolazeći kroz poprečni presjek vodiča pri jakosti struje od 1 A za vrijeme od 1 s.
Sva tijela u prirodi mogu se naelektrizirati; steći električni naboj. Elektrifikacija tijela se može izvesti na različite načine: kontaktom (trenjem), elektrostatičkom indukcijom
itd. Svaki proces naelektrisanja svodi se na razdvajanje naboja, pri čemu se na jednom od tela (ili delu tela) pojavljuje višak pozitivnog naelektrisanja, a na drugom (ili drugom delu tela) višak negativnog naelektrisanja. tijela). Ukupan broj naboja oba znaka sadržanih u tijelima se ne mijenja: ovi naboji se samo redistribuiraju između tijela.
Elektrifikacija tijela je moguća jer se tijela sastoje od nabijenih čestica. U procesu naelektrisanja tijela mogu se kretati elektroni i ioni koji su u slobodnom stanju. Protoni ostaju u jezgrima.
Ovisno o koncentraciji slobodnih naboja tijela se dijele na provodnici, dielektrici i poluprovodnici.
provodnici- tijela u kojima se električni naboj može pomiješati u cijeloj svojoj zapremini. Dirigenti su podeljeni u dve grupe:
1) provodnici prve vrste (metali) - prijenos na
naelektrisanja (slobodnih elektrona) nije praćena hemijskim
transformacije;
2) provodnici druge vrste (na primjer, rastaljene soli,
kiseli rasponi) - prijenos naelektrisanja u njima (pozitivnih i negativnih
joni) dovodi do hemijskih promena.
Dielektrici(na primjer, staklo, plastika) - tijela u kojima praktički nema besplatnih punjenja.
Poluprovodnici (npr. germanijum, silicijum) zauzimaju
međupoložaj između provodnika i dielektrika. Ova podjela tijela je vrlo proizvoljna, ali velika razlika u koncentracijama slobodnih naelektrisanja u njima uzrokuje ogromne kvalitativne razlike u njihovom ponašanju i stoga opravdava podjelu tijela na provodnike, dielektrike i poluvodiče.
ELEKTROSTATIKA- nauka o fiksnim naknadama
Coulombov zakon.
Zakon interakcije fiksna tačka električnih naboja
Eksperimentalno postavljen 1785. od strane Sh. Coulomb-a koristeći torzijske vage.
slične onima koje je koristio G. Cavendish za određivanje gravitacijske konstante (ovaj zakon je prethodno otkrio G. Cavendish, ali je njegov rad ostao nepoznat više od 100 godina).
tačka naboj, naziva se nabijeno tijelo ili čestica, čija se veličina može zanemariti u usporedbi s udaljenosti do njih.
Coulombov zakon: sila interakcije između dva locirana fiksna naboja u vakuumu proporcionalno naplatama q 1 i q2, i obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti r između njih :
k - faktor proporcionalnosti u zavisnosti od izbora sistema
u SI
Vrijednost ε 0 pozvao električna konstanta; to se odnosi na
broj fundamentalne fizičke konstante i jednak je:
ε 0 = 8,85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2
U vektorskom obliku, Coulombov zakon u vakuumu ima oblik:
gdje je radijus vektor koji povezuje drugo naelektrisanje sa prvim, F 12 je sila koja djeluje iz drugog naboja na prvo.
Tačnost implementacije Kulonovog zakona na velikim udaljenostima, do
10 7 m, ustanovljeno tokom proučavanja magnetnog polja pomoću satelita
u svemiru blizu Zemlje. Preciznost njegove implementacije na kratkim udaljenostima, do 10 -17 m, potvrđeno eksperimentima o interakciji elementarnih čestica.
Coulombov zakon u okolini
U svim medijima, sila Kulonove interakcije je manja od sile interakcije u vakuumu ili vazduhu. Fizička veličina koja pokazuje koliko je puta sila elektrostatičke interakcije u vakuumu veća nego u datom mediju, naziva se permitivnost medija i označava se slovom ε.
ε = F u vakuumu / F u mediju
Coulombov zakon u opštem obliku u SI:
Svojstva Coulombovih sila.
1. Kulonove sile su sile centralnog tipa, jer usmjerena duž prave linije koja spaja naboje
Kulonova sila je privlačna ako su predznaci naelektrisanja različiti i sila odbijanja ako su predznaci naelektrisanja isti.
3. Za Coulombove sile vrijedi Newtonov 3. zakon
4. Kulonove sile se pokoravaju principu nezavisnosti ili superpozicije, jer sila interakcije između dva točkasta naboja neće se promijeniti kada se drugi naboji pojave u blizini. Rezultirajuća sila elektrostatičke interakcije koja djeluje na dati naboj jednaka je vektorskom zbiru sila interakcije datog naelektrisanja sa svakim naelektrisanjem sistema posebno.
F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N
Interakcije između naelektrisanja vrše se pomoću električnog polja. Električno polje je poseban oblik postojanja materije, kroz koji se vrši interakcija električnih naboja. Električno polje se manifestira činjenicom da djeluje silom na bilo koji drugi naboj uveden u ovo polje. Elektrostatičko polje stvaraju stacionarni električni naboji i širi se u prostoru konačnom brzinom c.
Karakteristika snage električnog polja naziva se jakost.
tenzija električna u nekoj tački naziva se fizička veličina jednaka omjeru sile kojom polje djeluje na pozitivno naelektrisanje postavljeno u datoj tački i modula tog naboja.
Jačina polja tačkastog naboja q:
Princip superpozicije: jačina električnog polja stvorenog sistemom naelektrisanja u datoj tački prostora jednaka je vektorskom zbiru jačina električnih polja koje u ovoj tački stvara svako naelektrisanje posebno (u odsustvu drugih naelektrisanja).
Enciklopedijski YouTube
1 / 5
✪ Lekcija 213. Električni naboji i njihova interakcija. Coulomb's Law
✪ 8 ćelija - 106. Coulombov zakon
✪ Kulonov zakon
✪ Rješavanje problema po KULONOVOM ZAKONU fizike
✪ Lekcija 215
Titlovi
Formulacija
Sila interakcije dva točkasta naboja u vakuumu usmjerena je duž prave linije koja povezuje ta naboja, proporcionalna je njihovim veličinama i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. To je sila privlačnosti ako su predznaci naboja različiti, a sila odbijanja ako su ti predznaci isti.
Važno je napomenuti da je za istinitost zakona potrebno:
- Tačkasti naboji, odnosno razmak između nabijenih tijela mora biti mnogo veći od njihove veličine. Međutim, može se dokazati da je sila interakcije dva volumetrijski raspoređena naboja sa sferno simetričnim neukrštajućim prostornim raspodjelama jednaka sili interakcije dvaju ekvivalentnih točkastih naboja smještenih u centrima sferne simetrije;
- Njihova nepokretnost. U suprotnom, na snagu stupaju dodatni efekti: magnetsko polje pokretnog naelektrisanja i odgovarajuća dodatna Lorentzova sila koja deluje na drugo pokretno naelektrisanje;
- Raspored punjenja u vakuumu.
Međutim, uz određena prilagođavanja, zakon vrijedi i za interakcije naelektrisanja u mediju i za pokretne naboje.
U vektorskom obliku, u formulaciji S. Coulomba, zakon je napisan na sljedeći način:
F → 12 = k ⋅ 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))),)gdje F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12)) je sila kojom naelektrisanje 1 deluje na naelektrisanje 2; q 1 , q 2 (\displaystyle q_(1),q_(2))- veličinu optužbi; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- radijus vektor (vektor usmjeren od naboja 1 do naboja 2, i jednak je, u apsolutnoj vrijednosti, udaljenosti između naboja - r 12 (\displaystyle r_(12))); k (\displaystyle k)- koeficijent proporcionalnosti.
Koeficijent k
k = 1 ε . (\displaystyle k=(\frac (1)(\varepsilon)).) k = 1 4 π ε ε 0 . (\displaystyle k=(\frac (1)(4\pi \varepsilon \varepsilon _(0))).)Coulombov zakon u kvantnoj mehanici
Coulombov zakon sa stanovišta kvantne elektrodinamike
Priča
Po prvi put da se eksperimentalno istraži zakon interakcije električno nabijenih tijela predložio je G. V. Richmann 1752-1753. Namjeravao je u tu svrhu koristiti "indikatorski" elektrometar koji je dizajnirao. Realizaciju ovog plana spriječila je tragična Richmanova smrt.
Otprilike 11 godina prije Coulomba, 1771. godine, G. Cavendish je eksperimentalno otkrio zakon interakcije naelektrisanja, ali rezultat nije objavljen i ostao je dugo nepoznat (preko 100 godina). Kevendišove rukopise predao je DC Maksvelu tek 1874. jedan od Kevendišovih potomaka na svečanom otvaranju Kevendišove laboratorije i objavljeni 1879. godine.
Sam Coulomb se bavio proučavanjem torzije niti i izumio je torzionu ravnotežu. Otkrio je svoj zakon, koristeći ih za mjerenje sila interakcije nabijenih kuglica.
Coulombov zakon, princip superpozicije i Maxwellove jednadžbe
Stepen tačnosti Coulombovog zakona
Coulombov zakon je eksperimentalno utvrđena činjenica. Njegova valjanost je više puta potvrđena sve preciznijim eksperimentima. Jedan od pravaca takvih eksperimenata je provjera da li se eksponent razlikuje r u zakonu od 2. Da bi se pronašla ova razlika, koristi se činjenica da ako je stepen tačno dva, onda nema polja unutar šupljine u provodniku, bez obzira na oblik šupljine ili provodnika.
Takve eksperimente je prvi izveo Cavendish, a ponovio ih je Maxwell u poboljšanom obliku, dobivši za maksimalnu razliku eksponenta u stepenu dva vrijednost 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))
Eksperimenti koje su 1971. godine u Sjedinjenim Državama sproveli E. R. Williams, D. E. Voller i G. A. Hill pokazali su da je eksponent u Coulombovom zakonu 2 na unutar (3 , 1 ± 2 , 7) × 10 − 16 (\displaystyle (3,1\pm 2,7)\puta 10^(-16)) .
Da bi testirali tačnost Coulombovog zakona na intraatomskim udaljenostima, W. Yu. Lamb i R. Rutherford su 1947. godine koristili mjerenja relativnog rasporeda nivoa energije vodonika. Utvrđeno je da se čak i na udaljenostima reda atomskih 10 −8 cm, eksponent u Coulombovom zakonu razlikuje od 2 za najviše 10 −9 .
Koeficijent k (\displaystyle k) u Coulombovom zakonu ostaje konstantan do 15⋅10 −6 .
Korekcije Coulombovog zakona u kvantnoj elektrodinamici
Na kratkim udaljenostima (reda Compton-dužine-elektronskog talasa, λ e = ℏ m e c (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3,86⋅10 −13 m , gdje je m e (\displaystyle m_(e)) je masa elektrona, ℏ (\displaystyle \hbar )- Plankova konstanta, c (\displaystyle c)- brzina svjetlosti) nelinearni efekti kvantne elektrodinamike postaju značajni: virtualna razmjena fotona je superponirana stvaranjem virtuelnih parova elektron-pozitron (kao i mion-antimuon i taon-antitaon), a efekat skriniranja se smanjuje (vidi renormalizacija). Oba efekta dovode do pojave eksponencijalno opadajućih članova reda e − 2 r / λ e (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e))) u izrazu za potencijalnu energiju interakcije naelektrisanja i, kao rezultat, do povećanja sile interakcije u odnosu na onu izračunatu po Kulonovom zakonu.
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/\ lambda _(e))^(3/2)))\desno),)gdje λ e (\displaystyle \lambda _(e))- Compton talasna dužina elektron, α = e 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- konstantne fine strukture i r ≫ λ e (\displaystyle r\gg \lambda _(e)).
Na udaljenostima od reda λ W = ℏ m w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, gdje m w (\displaystyle m_(w)) je masa W-bozona, dolazi do pojave elektroslabih efekata.
U jakim vanjskim elektromagnetnim poljima, koja čine značajan dio probojnog polja vakuma (reda m e c 2 e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m ili m e c e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, takva polja se uočavaju, na primjer, u blizini nekih tipova neutronskih zvijezda, odnosno magnetara) Kulombov zakon je također narušen zbog Delbrückovog raspršenja razmjenskih fotona na fotone vanjskog polja i drugih, složenijih nelinearnih efekata. Ovaj fenomen smanjuje Kulonovu silu ne samo u mikro, već iu makro skali, posebno, u jakom magnetskom polju, Kulonov potencijal ne pada obrnuto proporcionalno udaljenosti, već eksponencijalno.
Kulonov zakon i polarizacioni vakum
Coulombov zakon i superteška jezgra
Značenje Coulombovog zakona u istoriji nauke
Coulombov zakon je prvi otvoreni kvantitativni i matematički formulisani fundamentalni zakon za elektromagnetne fenomene. Sa otkrićem Coulombovog zakona, započela je moderna nauka o elektromagnetizmu.
vidi takođe
Linkovi
- Coulombov zakon (video lekcija, program za 10. razred)
Bilješke
- Sivukhin D. V. Opšti kurs fizike. - M.: Fizmatlit; Izdavačka kuća MIPT, 2004. - Tom III. Struja. - S. 17. - 656 str. - ISBN 5-9221-0227-3.
- Landau L.D., Lifshits E.M. Teorijska fizika: Udžbenik. dodatak: Za univerzitete. V 10 t. T. 2 Teorija polja. - 8. izdanje, stereo. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 str. -
