56. oldal

A COULON TÖRVÉNYE

Az elektrosztatika alaptörvénye. A ponttöltésű test fogalma.

Töltések kölcsönhatási erejének mérése torziós mérlegek segítségével. Coulomb kísérletei

A ponttöltés definíciója

Coulomb törvénye. Képlet és képlet

Függő Erő

A díj mértékegységének meghatározása

Együttható a Coulomb-törvényben

Az elektrosztatikus és a gravitációs erők összehasonlítása egy atomban

A statikus töltések egyensúlya és fizikai jelentése (három töltés példáján)

Az elektrosztatika alaptörvénye két mozdulatlan ponttöltésű test kölcsönhatásának törvénye.

Charles Augustin Coulomb állította 1785-ben, és az ő nevét viseli.

A természetben ponttöltésű testek nem léteznek, de ha a testek közötti távolság sokszorosa a méretüknek, akkor sem a töltött testek alakja, sem mérete nem befolyásolja jelentősen a köztük lévő kölcsönhatásokat. Jelen esetben ezek a testek ponttesteknek tekinthetők.

A töltött testek kölcsönhatásának erőssége a közöttük lévő közeg tulajdonságaitól függ. A tapasztalat azt mutatja, hogy a levegő nagyon csekély hatással van ennek a kölcsönhatásnak az erősségére, és kiderül, hogy majdnem ugyanaz, mint a vákuumban.

Coulomb tapasztalat

A töltések kölcsönhatási erejének mérésére az első eredményeket Charles Augustin Coulomb francia tudós szerezte 1785-ben.

Az erő mérésére torziós mérleget használtak.

A rugalmas ezüstszálra felfüggesztett szigetelő gerenda egyik végén egy kicsi, vékony, töltetlen arany gömböt a gerenda másik végén egy papírkorong egyensúlyozott ki.

A himba forgatásával ugyanazzal a mozdulatlan töltött gömbbel került érintkezésbe, aminek következtében töltése egyenlően oszlott meg a gömbök között.

A gömbök átmérőjét jóval kisebbre választottuk, mint a köztük lévő távolságot, hogy kiküszöböljük a töltött testek méretének és alakjának a mérési eredményekre gyakorolt ​​hatását.

A ponttöltés olyan töltött test, amelynek mérete jóval kisebb, mint a többi testre gyakorolt ​​lehetséges hatásának távolsága.

Az azonos töltésű gömbök taszítani kezdték egymást, csavarva a fonalat. A forgásszög arányos volt a mozgó gömbre ható erővel.

A gömbök közötti távolságot egy speciális kalibrációs skála segítségével mérték.

Az 1. gömb kisütésével az erő mérése után, és újra összekapcsolva az álló gömbbel, Coulomb csökkentette a kölcsönhatásban lévő gömbök töltését 2, 4, 8 stb. egyszer,

Coulomb törvénye:

Két mozdulatlan ponttöltés közötti kölcsönhatás ereje vákuumban egyenesen arányos a töltésmodulok szorzatával és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével, és a töltéseket összekötő egyenes mentén irányul.

k az arányossági együttható, a mértékegységrendszer megválasztásától függően.

Az F12 erőt Coulomb-erőnek nevezik

A Coulomb-erő központi, i.e. a töltésközpontokat összekötő vonal mentén irányítva.

Az SI-ben a töltés mértékegysége nem az alap, hanem a derivált, és az Amperrel, az SI alapegységével van meghatározva.

Függő - elektromos töltés, amely áthalad a vezető keresztmetszetén 1 A 1 s áramerősség mellett

SI-ben a Coulomb-törvényben a vákuum arányossági együtthatója:

k = 9*109 Nm2/Cl2

Az együtthatót gyakran így írják:

e0 \u003d 8,85 * 10-12 C2 / (Nm2) - elektromos állandó

A Coulomb-törvény a következő formában van írva:

Ha egy pontszerű töltést olyan közegbe helyezünk, amelynek relatív permittivitása e nem vákuum, a Coulomb-erő e-szeresére csökken.

Bármilyen közeghez, kivéve a vákuum e > 1

A Coulomb-törvény szerint két, egyenként 1 C-os ponttöltés, vákuumban 1 m távolságra, kölcsönhatásba lép egy erővel.

Ebből a becslésből látható, hogy egy 1 Coulomb töltés nagyon nagy mennyiség.

A gyakorlatban több mértékegységet használnak - μC (10-6), μC (10-3)

1 C 6 * 1018 elektrontöltést tartalmaz.

Az atommagban lévő elektron és proton közötti kölcsönhatási erők példájával kimutatható, hogy a részecskék közötti kölcsönhatás elektrosztatikus ereje körülbelül 39 nagyságrenddel nagyobb, mint a gravitációs erő. A makroszkopikus testek (általában elektromosan semleges) kölcsönhatási elektrosztatikus erőit azonban csak a rajtuk elhelyezkedő nagyon kis többlettöltések határozzák meg, ezért nem nagyok a testek tömegétől függő gravitációs erőkhöz képest.

Lehetséges a statikus töltések egyensúlya?

Tekintsünk két pozitív ponttöltés rendszerét, q1 és q2.

Nézzük meg, hogy melyik ponton kell a harmadik töltést elhelyezni, hogy egyensúlyban legyen, és határozzuk meg ennek a töltésnek a nagyságát és előjelét.

Statikus egyensúly akkor áll be, ha a testre ható erők geometriai (vektor) összege nulla.

Az a pont, ahol a q3 harmadik töltésre ható erők kiolthatják egymást, a töltések közötti vonalon van.

Ebben az esetben a q3 töltés lehet pozitív és negatív is. Az első esetben a taszító erők, a másodikban a vonzó erők kompenzálódnak.

A Coulomb-törvény figyelembevételével a töltések statikus egyensúlya a következő esetekben lesz:

A q3 töltés egyensúlya nem függ az értékétől vagy a töltés előjelétől.

Amikor a q3 töltés megváltozik, a vonzó (q3 pozitív) és a taszító erők (q3 negatív) egyformán változnak

Döntés másodfokú egyenlet x vonatkozásában kimutatható, hogy egy tetszőleges előjelű és nagyságú töltés egyensúlyban lesz a q1 töltéstől x1 távolságra lévő pontban:

Nézzük meg, hogy a harmadik töltés helyzete stabil vagy instabil lesz.

(Stabil egyensúlyban az egyensúlyi helyzetből kikerült test visszatér oda, instabil egyensúlyban eltávolodik tőle)

Vízszintes elmozdulásnál az F31, F32 taszítóerők a töltések közötti távolság változása miatt megváltoznak, visszaállítva a töltést az egyensúlyi helyzetbe.

Vízszintes elmozdulás esetén a q3 töltésegyensúly stabil.

Függőleges eltolással az eredő F31, F32 kinyomja a q3-at

Menj az oldalra:

1.1. témakör ELEKTROMOS TÖLTÉSEK.

1. szakasz AZ ELEKTRODINAMIKA ALAPJAI

1. Testek villamosítása. A töltés nagyságának fogalma.

A töltés megmaradásának törvénye.

2. A töltések közötti kölcsönhatás erői.

Coulomb törvénye.

3. A közeg dielektromos permittivitása.

4. Nemzetközi rendszer egységek az elektromosságban.

1. A tel. villamosítása. A töltés nagyságának fogalma.

A töltés megmaradásának törvénye.

Ha két felület szorosan érintkezik, akkor elérhető elektronátmenet egyik felületről a másikra, miközben ezeken a felületeken elektromos töltések jelennek meg.

Ezt a jelenséget ELEKTROMOSÍTÁSNAK nevezik. A súrlódás során a felületek szoros érintkezésének területe megnő, és a felületi töltés nagysága is növekszik - ezt a jelenséget súrlódás általi elektromosságnak nevezik.

A villamosítás során a töltések újraeloszlása ​​következik be, melynek eredményeként mindkét felület egyenlő nagyságú, ellentétes előjelű töltésekkel.

Mert minden elektronnak azonos a töltése (negatív) e \u003d 1,6 10 C, akkor a felületi töltés (q) meghatározásához tudnia kell, hogy hány elektron van feleslegben vagy hiányban a felületen (N) és a egy elektron töltése.

A villamosítás folyamatában új töltések nem jelennek meg, vagy nem tűnnek el, hanem csak keletkeznek. újraelosztás testek vagy testrészek között, ezért a testek zárt rendszerének össztöltése állandó marad, ez a TÉTELMARADÁS TÖRVÉNYének jelentése.

2. A töltések közötti kölcsönhatás erői.

Coulomb törvénye.

Az elektromos töltések kölcsönhatásba lépnek egymással, távolságban vannak, míg a hasonló töltések taszítják, a töltésektől eltérően pedig vonzanak.

Először derült ki tapasztalt amelytől a töltések közötti kölcsönhatás ereje függ – Coulomb francia tudós és levezette a Coulomb-törvénynek nevezett törvényt. Az alaptörvény i.e. tapasztalatok alapján. Ennek a törvénynek a levezetésében Coulomb torziós mérleget használt.

3) k - a környezettől való függést kifejező együttható.

Coulomb-törvény képlete.

A két fixpontos töltés közötti kölcsönhatás ereje egyenesen arányos e töltések nagyságának szorzatával és fordítottan arányos a köztük lévő távolságok négyzetével, és függ attól a környezettől, amelyben ezek a töltések találhatók, és a töltések mentén irányulnak. a töltések középpontját összekötő egyenes vonal.

3. A közeg dielektromos permittivitása.

E a közeg dielektromos állandója, a töltéseket körülvevő közegtől függ.

E \u003d 8,85 * 10 - fizikai állandó, vákuum permittivitás.

E - a közeg relatív permittivitása, megmutatja, hogy a ponttöltések közötti kölcsönhatás ereje vákuumban hányszor nagyobb, mint egy adott közegben. Vákuumban a legerősebb kölcsönhatás a töltések között.

4. A villamos energia mértékegységeinek nemzetközi rendszere.

Az SI rendszerben a villamos energia alapegysége 1A, az összes többi mértékegység 1Amperből származik.

1Cl - a töltött részecskék által a vezető keresztmetszetén átvitt elektromos töltés mennyisége 1 A áramerősség mellett 1 másodpercig.

Téma 1.2 ELEKTROMOS MEZŐ

1. Elektromos tér – hogyan különleges fajtaügy.

6. A potenciálkülönbség és az elektromos térerősség kapcsolata.

1. Elektromos mező - mint speciális anyagfajta.

A természetben, mint egyfajta anyag, létezik egy elektromágneses mező. NÁL NÉL különböző alkalmakkor az elektromágneses tér különböző módon nyilvánul meg, például álló töltések közelében csak elektromos tér jelenik meg, amit elektrosztatikusnak nevezünk. A mobil töltések közelében elektromos és mágneses mezőket is lehet érzékelni, amelyek együttesen ELEKTROMÁGNESES MEZŐKET jelentenek.

Tekintsük az elektrosztatikus mező tulajdonságait:

1) Álló töltések elektrosztatikus mezőt hoznak létre, az ilyen mezők észlelhetők

teszttöltések segítségével (kis pozitív töltés), mert csak rajtuk fejt ki erőhatást az elektromos tér, ami engedelmeskedik a Coulomb-törvénynek.

2. Elektromos térerősség.

Az elektromos térnek mint anyagfajtának van energiája, tömege, véges sebességgel terjed a térben, és nincsenek elméleti határai.

A gyakorlatban úgy tekintik, hogy nincs mező, ha annak nincs észrevehető hatása a tesztdíjakra.

Mivel a mező a teszttöltésekre gyakorolt ​​erőhatás segítségével detektálható, az elektromos tér fő jellemzője az feszültség.

Ha az elektromos tér ugyanazon pontjába különböző nagyságú próbatöltéseket vezetünk be, akkor között aktív erő a teszttöltés nagysága pedig egyenesen arányos összefüggés.

A ható erő és a töltés nagysága közötti arányossági együttható az E intenzitás.

E \u003d - képlet az elektromos térerősség kiszámításához, ha q \u003d 1 C, akkor | e | = | F |

A feszültség az elektromos tér pontjaira jellemző teljesítmény, mert számszerűen egyenlő az elektromos tér adott pontjában 1 C-os töltésre ható erővel.

A feszültség vektormennyiség, az intenzitásvektor irányában egybeesik az elektromos tér adott pontjában pozitív töltésre ható erővektorral.

3. Elektromos térerősség vonalai. Homogén elektromos tér.

Az elektromos tér megjelenítéséhez, pl. grafikusan használjon elektromos térerősség vonalakat. Ezek olyan vonalak, más néven erővonalak, amelyek érintői egybeesnek az intenzitásvektorokkal az elektromos tér azon pontjain, amelyeken ezek az egyenesek áthaladnak,

A feszítővezetékek a következő tulajdonságokkal rendelkeznek:

1) Kezdje a poz. töltések végződnek - negatívra, vagy pozitívra kezdődnek. töltések és a végtelenbe mennek, vagy a végtelenből származnak és pozitív töltésekkel végződnek.

2) Ezek a vonalak folytonosak és nem metszik egymást sehol.

3) A vonalsűrűség (a vonalak száma egységnyi felületre) és az elektromos térerősség egyenes és arányos összefüggésben van.

Egyenletes elektromos térben a tér minden pontján azonos az intenzitás, grafikusan az ilyen mezőket párhuzamos vonalak ábrázolják, amelyek egymástól egyenlő távolságra vannak. Ilyen mezőt kaphatunk két párhuzamos lapos töltött lemez között, egymástól kis távolságra.

4. Munka a töltés mozgására elektromos térben.

Helyezzünk elektromos töltést egyenletes elektromos térbe. Az erők a pálya oldaláról hatnak a töltésre. Ha a töltést elmozdítják, a munka elvégezhető.

Tökéletes munka a telkeken:

A \u003d q E d - képlet a töltés elektromos mezőben történő mozgatásának kiszámításához.

Következtetés: A töltés elektromos térben történő mozgatásának munkája nem függ a pálya alakjától, hanem a mozgó töltés mennyiségétől (q), a térerősségtől (E), valamint a töltés megválasztásától függ. mozgás kezdő- és végpontja (d).

Ha egy elektromos térben lévő töltést egy zárt áramkör mentén mozgatjuk, akkor az elvégzett munka 0 lesz. Az ilyen mezőket potenciálmezőknek nevezzük. Az ilyen mezőkben lévő testek potenciális energiával rendelkeznek, pl. az elektromos tér bármely pontján lévő elektromos töltésnek energiája van, és az elektromos térben végzett munka megegyezik a töltés potenciális energiáinak különbségével a mozgás kezdeti és végső pontjában.

5. Potenciális. Lehetséges különbség. Feszültség.

Ha az elektromos tér egy adott pontjában különböző nagyságú töltések helyezkednek el, akkor a töltés potenciális energiája és nagysága egyenes arányban van egymással.

-(phi) elektromos tér pontpotenciálja

A potenciál az elektromos tér pontjaira jellemző energia, mert számszerűen megegyezik az elektromos tér adott pontjában 1 C-os töltés potenciális energiájával.

Egy ponttöltéstől egyenlő távolságra a mezőpontok potenciáljai azonosak. Ezek a pontok egyenlő potenciálú felületet alkotnak, és ezeket a felületeket ekvipotenciális felületeknek nevezzük. Síkon körök, térben gömbök.

Feszültség

Képletek a töltés elektromos térben történő mozgatásának kiszámításához.

1V az a feszültség az elektromos tér mozgás közbeni pontjai között, amelyekben az 1C töltés 1 J erőt fejt ki.

A képlet, amely megállapítja az összefüggést az elektromos tér erőssége, a feszültség és a potenciálkülönbség között.

A feszültség számszerűen megegyezik a mező két pontja közötti feszültség- vagy potenciálkülönbséggel, amelyek ugyanazon térvonal mentén 1 m távolságra vannak. A (-) jel azt jelenti, hogy az intenzitásvektor mindig a csökkenő potenciálú mezőpontok felé irányul.

Publikációk Jankoli D. anyagai alapján. "Fizika két kötetben" 1984 2. kötet.

Az elektromos töltések között erő van. Hogyan függ a töltések nagyságától és egyéb tényezőktől?
Ezt a kérdést az 1780-as években Charles Coulomb (1736-1806) francia fizikus vizsgálta. A Cavendish által használthoz nagyon hasonló torziós mérleget használt a gravitációs állandó meghatározásához.
Ha egy menetre felfüggesztett rúd végén töltést helyezünk a golyóra, a rúd kissé eltér, a menet elcsavarodik, és a menet forgási szöge arányos lesz a töltések között ható erővel (torziós egyensúly) . Ennek az eszköznek a segítségével Coulomb meghatározta az erő függőségét a töltések nagyságától és a köztük lévő távolságtól.

Ekkor még nem voltak műszerek a töltés nagyságának pontos meghatározására, de Coulombnak sikerült ismert töltésarányú kis golyókat készítenie. Ha egy töltött vezető golyót pontosan ugyanazzal a töltetlen labdával hoznak érintkezésbe – indokolta –, akkor az első töltése a szimmetria miatt egyenlően oszlik el a két golyó között.
Ez lehetővé tette számára, hogy 1/2, 1/4 stb. az eredetitől.
A töltések indukciójával kapcsolatos nehézségek ellenére Coulombnak sikerült bebizonyítania, hogy az az erő, amellyel az egyik töltött test egy másik kis töltött testre hat, egyenesen arányos mindegyikük elektromos töltésével.
Más szóval, ha ezen testek bármelyikének töltése megkétszereződik, akkor az erő is megkétszereződik; ha azonban mindkét test töltése egyszerre megduplázódik, akkor az erő négyszeresére nő. Ez akkor igaz, ha a testek közötti távolság állandó marad.
A testek közötti távolság megváltoztatásával Coulomb felfedezte, hogy a köztük ható erő fordítottan arányos a távolság négyzetével: ha a távolság, mondjuk, megkétszereződik, az erő négyszer kisebb lesz.

Tehát Coulomb arra a következtetésre jutott, hogy az az erő, amellyel egy kis töltött test (ideális esetben egy ponttöltés, azaz egy olyan test, mint egy anyagi pont, amelynek nincs térbeli mérete) egy másik töltött testre hat, arányos töltéseik szorzatával. K 1 és K 2, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével:

Itt k- arányossági együttható.
Ez az összefüggés Coulomb-törvényként ismert; érvényességét gondos kísérletek igazolták, sokkal pontosabbak, mint Coulomb eredeti, nehezen reprodukálható kísérletei. A 2. kitevő jelenleg 10 -16 pontossággal van beállítva, azaz. egyenlő 2 ± 2×10 -16 .

Mivel most egy új mennyiséggel - elektromos töltéssel - van dolgunk, választhatunk olyan mértékegységet, hogy a képletben szereplő k konstans eggyel egyenlő legyen. Valójában egy ilyen mértékegységrendszert a fizikában a közelmúltig széles körben alkalmaztak.

Ez a CGS (centiméter-gramm-másodperc) rendszer, amely az elektrosztatikus töltési egységet, a CGS-t használja. A definíció szerint két, egymástól 1 cm távolságra lévő, egyenként 1 CGSE töltésű kis test kölcsönhatásba lép 1 din erővel.

Most azonban a töltést leggyakrabban az SI rendszerben fejezik ki, ahol mértékegysége a medál (C).
A medál pontos meghatározása keresztül elektromosság a mágneses teret pedig később adjuk meg.
Az SI rendszerben az állandó k van értéke k\u003d 8,988 × 10 9 Nm 2 / Cl 2.

A közönséges tárgyak (fésűk, műanyag vonalzók stb.) súrlódásával történő villamosításból származó töltések nagyságrendileg mikrokulonok és kisebbek (1 μC = 10 -6 C).
Az elektron töltése (negatív) körülbelül 1,602×10 -19 C. Ez a legkisebb ismert töltés; alapvető fontosságú, és a szimbólummal jelöljük e, gyakran nevezik elemi töltésnek.
e\u003d (1,6021892 ± 0,0000046) × 10 -19 C, vagy e≈ 1,602 × 10 -19 C.

Mivel egy test nem nyerhet vagy veszíthet el egy elektron töredékét, a test teljes töltése az elemi töltés egész számú többszöröse kell, hogy legyen. Azt mondják, hogy a töltés kvantált (azaz csak diszkrét értékeket vehet fel). Mivel azonban az elektrontöltés e nagyon kicsi, általában nem vesszük észre a makroszkopikus töltések diszkrétségét (kb. 10 13 elektron felel meg 1 μC-os töltésnek), és a töltést folytonosnak tekintjük.

A Coulomb-képlet azt az erőt jellemzi, amellyel az egyik töltés a másikra hat. Ez az erő a töltéseket összekötő vonal mentén irányul. Ha a töltések előjele megegyezik, akkor a töltésekre ható erők ellentétes irányúak. Ha a töltések előjele eltérő, akkor a töltésekre ható erők egymás felé irányulnak.
Figyeljük meg, hogy Newton harmadik törvényének megfelelően az az erő, amellyel az egyik töltés a másikra hat, egyenlő nagyságú és ellentétes irányú azzal az erővel, amellyel a második töltés az elsőre hat.
A Coulomb-törvény felírható vektor formában, mint a törvény gravitáció Newton:

ahol F 12 - a töltésre ható erő vektora K 1 oldalsó töltés K 2,
- a töltések közötti távolság,
- egységvektor felől irányítva K 2 k K 1.
Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a képlet csak olyan testekre alkalmazható, amelyek közötti távolság sokkal nagyobb, mint a saját méreteik. Ideális esetben ezek pontdíjak. Véges méretű testeknél nem mindig világos, hogyan kell kiszámítani a távolságot r közöttük, főleg mivel a töltéseloszlás inhomogén lehet. Ha mindkét test egyenletes töltéseloszlású gömb, akkor r a gömbök középpontjai közötti távolságot jelenti. Azt is fontos megérteni, hogy a képlet egyetlen töltésből határozza meg az adott töltésre ható erőt. Ha a rendszer több (vagy sok) töltött testet tartalmaz, akkor az adott töltésre ható erő a többi töltésből ható erők eredője (vektorösszege) lesz. A Coulomb-törvény képletében szereplő k állandót általában egy másik állandóval fejezik ki, ε 0 , az úgynevezett elektromos állandó, amely összefügg k hányados k = 1/(4πε 0). Ezt szem előtt tartva a Coulomb-törvény a következő formában írható át:

ahol az eddigi legnagyobb pontossággal

vagy lekerekített

A legtöbb egyéb elektromágneses elméleti egyenlet felírása egyszerűsödik a használatával ε 0 , mert a 4π a végeredmény gyakran csökken. Ezért általában a Coulomb-törvényt fogjuk használni, feltételezve, hogy:

A Coulomb-törvény két töltés között nyugalmi állapotban ható erőt írja le. Amikor a töltések mozognak, további erők lépnek fel közöttük, ezeket a következő fejezetekben tárgyaljuk. Itt csak a nyugalmi töltéseket veszik figyelembe; az elektromosság tanának ezt az ágát nevezik elektrosztatika.

Folytatjuk. Röviden az alábbi kiadványról:

Az elektromos tér az elektromosság két összetevőjének egyike mágneses mező, amely egy olyan vektormező, amely elektromos töltéssel rendelkező testek vagy részecskék körül létezik, vagy akkor lép fel, amikor a mágneses tér megváltozik.

Észrevételeket, javaslatokat szívesen fogadunk!

Az elektromosság fogalma. Villamosítás. Vezetők, félvezetők és dielektrikumok. Az elemi töltés és tulajdonságai. Coulomb törvénye. Elektromos térerősség. A szuperpozíció elve. Az elektromos tér, mint a kölcsönhatás megnyilvánulása. Egy elemi dipólus elektromos tere.

Az elektromosság kifejezés a görög elektron (borostyán) szóból származik.

A villamosítás az a folyamat, amely során elektromos energiát juttatnak a szervezetbe.

díj. Ezt a kifejezést Gilbert angol tudós és orvos vezette be a 16. században.

AZ ELEKTROMOS TÖLTÉS OLYAN FIZIKAI SKALÁR ÉRTÉK, AMELY A BELÉPŐ TESTEK VAGY RÉSZecskék TULAJDONSÁGÁT JELLEMZI, ÉS AZ ELEKTROMÁGNESES KÜLTÖTTÉSEKET, ÉS MEGHATÁROZza EZEN KÖLCSÖNHATÁSOK ERŐJÉT ÉS ENERGIÁJÁT.

Az elektromos töltések tulajdonságai:

1. A természetben kétféle elektromos töltés létezik. Pozitív (a bőrhöz dörzsölt üvegen jelenik meg) és negatív (a szőrhöz dörzsölt eboniton jelenik meg).

2. Az azonos nevű töltések taszítják, ellentétben a töltések vonzásával.

3. Elektromos töltés NEM LÉTEZIK TÖLTÉSHORDOZÓ RÉSZÉK NÉLKÜL (elektron, proton, pozitron stb.) Például az e / töltés nem távolítható el az elektronról és más elemi töltött részecskékről.

4. Az elektromos töltés diszkrét, azaz. bármely test töltése egész számú többszöröse elemi elektromos töltés e(e = 1,6 10-19 C). Elektron (pl.= 9,11 10 -31 kg) és proton (t p = 1,67 10 -27 kg) elemi negatív és pozitív töltések hordozói. (A töredékes elektromos töltésű részecskék ismertek: – 1/3 e és 2/3 e - ez kvarkok és antikvarkok , de szabad állapotban nem találták meg).

5. Elektromos töltés - nagyságrend relativisztikusan invariáns , azok. nem függ a vonatkoztatási rendszertől, és ezért nem attól, hogy ez a töltés mozgásban vagy nyugalomban van.

6. A kísérleti adatok általánosításából, a természet alapvető törvénye - töltés megmaradási törvénye: algebrai összeg

ma bármely zárt rendszer elektromos töltései(olyan rendszerek, amelyek nem cserélnek díjat külső szervekkel) változatlan marad, függetlenül attól, hogy milyen folyamatok mennek végbe ebben a rendszerben.

A törvényt 1843-ban kísérletileg megerősítette egy angol fizikus

M. Faraday ( 1791-1867) és mások, amit a részecskék és antirészecskék születése és megsemmisülése igazol.

Az elektromos töltés mértékegysége (származtatott egység, ahogyan az áramerősség mértékegysége határozza meg) - medál (C): 1 C - elektromos töltés,

áthalad a vezeték keresztmetszetén 1 A áramerősség mellett 1 másodpercig.

A természetben minden test képes felvillanyozni; elektromos töltést szerezni. A karosszériák villamosítása elvégezhető különböző utak: érintkező (súrlódás), elektrosztatikus indukció

stb. Minden töltési folyamat a töltések szétválasztására redukálódik, amelyben az egyik testen (vagy testrészen) pozitív töltéstöbblet, a másikon (vagy másik részen) negatív töltéstöbblet jelenik meg. a test). A holttestekben található mindkét jel töltéseinek száma nem változik: ezek a töltetek csak a testek között oszlanak meg.

A testek villamosítása azért lehetséges, mert a testek töltött részecskékből állnak. A testek villamosítása során szabad állapotban lévő elektronok és ionok mozoghatnak. A protonok az atommagban maradnak.

A szabad töltések koncentrációjától függően a testeket felosztják vezetők, dielektrikumok és félvezetők.

karmesterek- testek, amelyekben az elektromos töltés teljes térfogatában keveredhet. A vezetőket két csoportra osztják:

1) az első típusú karmesterek (fémek) - átadás ide

töltések (szabad elektronok) nem kíséri kémiai

átalakulások;

2) a második típusú karmesterek (például olvadt sók,

savtartományok) - a töltések átvitele bennük (pozitív és negatív

ionok) kémiai változásokhoz vezet.

Dielektrikumok(például üveg, műanyag) - olyan testek, amelyekben gyakorlatilag nincs ingyenes díj.

Félvezetők (pl. germánium, szilícium) foglalják el

közbenső helyzet a vezetők és a dielektrikumok között. A testek ilyen felosztása nagyon önkényes, de a bennük lévő szabad töltések koncentrációjának nagy különbsége óriási minőségi különbségeket okoz viselkedésükben, és ezért indokolja a testek vezetőkre, dielektrikumokra és félvezetőkre való felosztását.

ELEKTROSZTATIKA- a rögzített díjak tudománya

Coulomb törvénye.

A kölcsönhatás törvénye fix pont elektromos töltések

1785-ben Sh. Coulomb kísérletileg telepítette torziós mérlegek segítségével.

hasonló témákat, amelyeket G. Cavendish használt a gravitációs állandó meghatározására (ezt a törvényt korábban G. Cavendish fedezte fel, de munkája több mint 100 évig ismeretlen maradt).

ponttöltés, töltött testnek vagy részecskének nevezzük, amelynek mérete elhanyagolható a távolsághoz képest.

Coulomb-törvény: két elhelyezkedő fixpontos töltés közötti kölcsönhatás ereje légüres térben díjakkal arányos q 1és q2,és fordítottan arányos a köztük lévő r távolság négyzetével :

k - arányossági tényező a rendszerválasztástól függően

SI-ben

Érték ε 0 hívott elektromos állandó; utal valamire

szám alapvető fizikai állandók és egyenlő:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2

Vektoros formában a Coulomb-törvény vákuumban a következőképpen alakul:

ahol a második töltést az elsővel összekötő sugárvektor, F 12 a második töltésből az elsőre ható erő.

A Coulomb-törvény végrehajtásának pontossága nagy távolságokon, ig

10 7 m, amelyet a mágneses mező műholdak segítségével történő tanulmányozása során állapítottak meg

a földközeli térben. Megvalósításának pontossága kis távolságokon, ig 10 -17 m, elemi részecskék kölcsönhatására vonatkozó kísérletekkel igazolták.

Coulomb törvénye a környezetben

Minden közegben a Coulomb-kölcsönhatás ereje kisebb, mint a kölcsönhatás ereje vákuumban vagy levegőben. Azt a fizikai mennyiséget, amely megmutatja, hogy az elektrosztatikus kölcsönhatás ereje vákuumban hányszor nagyobb, mint egy adott közegben, a közeg permittivitásának nevezzük, és betűvel jelöljük. ε.

ε = F vákuumban / F közegben

Coulomb törvénye Általános nézet SI-ben:

A Coulomb-erők tulajdonságai.

1. A Coulomb-erők központi típusú erők, mert a töltéseket összekötő egyenes vonal mentén irányítják

A Coulomb-erő vonzóerő, ha a töltések előjele eltérő, és taszító erő, ha a töltések előjelei azonosak.

3. A Coulomb-erőkre Newton 3. törvénye érvényes

4. A Coulomb-erők engedelmeskednek a függetlenség vagy szuperpozíció elvének, mert a két ponttöltés közötti kölcsönhatás ereje nem változik, ha más töltések jelennek meg a közelben. Az adott töltésre ható elektrosztatikus kölcsönhatás eredő ereje egyenlő egy adott töltés és a rendszer minden töltésével külön-külön kölcsönhatási erők vektorösszegével.

F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N

A töltések közötti kölcsönhatások elektromos mező segítségével jönnek létre. Az elektromos mező az anyag létezésének egy speciális formája, amelyen keresztül az elektromos töltések kölcsönhatása megy végbe. Az elektromos tér abban nyilvánul meg, hogy erővel hat a mezőbe bevitt bármely más töltésre. Helyhez kötött elektromos töltések elektrosztatikus mezőt hoznak létre, amely véges c sebességgel terjed a térben.

Az elektromos tér teljesítményjellemzõjét erõsségnek nevezzük.

feszültség elektromos egy bizonyos ponton hívják fizikai mennyiség, amely egyenlő annak az erőnek az arányával, amellyel a mező egy adott pontban elhelyezett pozitív teszttöltésre hat, ennek a töltésnek a moduljához.

A q ponttöltés térereje:

Szuperpozíció elve: a töltésrendszer által a tér adott pontjában létrehozott elektromos tér erőssége megegyezik az egyes töltések által külön-külön (egyéb töltések hiányában) ezen a ponton létrehozott elektromos terek erősségének vektorösszegével.

Enciklopédiai YouTube

1 / 5

✪ 213. lecke. Elektromos töltések és kölcsönhatásuk. Coulomb törvénye

✪ 8 cella - 106. Coulomb-törvény

✪ Coulomb törvénye

✪ fizika COULOMB TÖRVÉNY problémamegoldás

✪ 215. lecke

Feliratok

Megfogalmazás

Két ponttöltés kölcsönhatási ereje vákuumban a töltéseket összekötő egyenes mentén irányul, arányos nagyságukkal és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével. Vonzó erő, ha a töltések előjelei eltérőek, és taszító erő, ha ezek a jelek azonosak.

Fontos megjegyezni, hogy ahhoz, hogy a törvény igaz legyen, a következőkre van szükség:

1. A ponttöltések, vagyis a töltött testek közötti távolságnak sokkal nagyobbnak kell lennie, mint a méretük. Azonban bebizonyítható, hogy két térfogati eloszlású, gömbszimmetrikus, nem metsző térbeli eloszlású töltés kölcsönhatási ereje egyenlő a gömbszimmetria középpontjaiban elhelyezkedő két egyenértékű ponttöltés kölcsönhatási erejével;
2. A mozdulatlanságuk. Ellenkező esetben további hatások lépnek életbe: a mozgó töltés mágneses tere és a megfelelő további Lorentz-erő, amely egy másik mozgó töltésre hat;
3. Töltések elrendezése vákuumban.

Néhány módosítással azonban a törvény a közegben lévő töltések kölcsönhatásaira és a mozgó töltésekre is érvényes.

Vektoros formában, S. Coulomb megfogalmazásában, a törvény a következőképpen van felírva:

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))),)

ahol F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12)) az az erő, amellyel az 1. töltés hat a 2. töltésre; q 1 , q 2 (\displaystyle q_(1),q_(2))- a töltések nagysága; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- sugárvektor (vektor, amely az 1. töltéstől a 2. töltésig irányul, és abszolút értékben egyenlő a töltések közötti távolsággal - r 12 (\displaystyle r_(12))); k (\displaystyle k)- arányossági együttható.

Együttható 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))).)

Coulomb törvénye a kvantummechanikában

Coulomb törvénye a kvantumelektrodinamika szemszögéből

Sztori

Az elektromosan töltött testek kölcsönhatásának törvényének kísérleti vizsgálatára először G. V. Richmann javasolta 1752-1753-ban. Erre a célra az általa tervezett "indikátoros" elektrométert kívánta használni. E terv megvalósítását Richman tragikus halála akadályozta meg.

Körülbelül 11 évvel Coulomb előtt, 1771-ben G. Cavendish kísérletileg felfedezte a töltések kölcsönhatásának törvényét, de az eredményt nem tették közzé, és hosszú ideje(több mint 100 éve) ismeretlen maradt. A Cavendish-kéziratokat csak 1874-ben adta át D.C. Maxwellnek Cavendish egyik leszármazottja a Cavendish Laboratory ünnepélyes megnyitóján, és 1879-ben adták ki.

Coulomb maga is foglalkozott a szálak csavarodásának tanulmányozásával, és feltalálta a torziós egyensúlyt. Felfedezte törvényét, felhasználva a töltött golyók kölcsönhatási erejének mérésére.

Coulomb-törvény, szuperpozíciós elv és Maxwell-egyenletek

A Coulomb-törvény pontossági foka

A Coulomb-törvény kísérletileg megállapított tény. Érvényességét egyre precízebb kísérletek többször is megerősítették. Az ilyen kísérletek egyik iránya annak ellenőrzése, hogy a kitevő eltér-e r Ennek a különbségnek a megállapítására azt a tényt használjuk, hogy ha a fokszám pontosan egyenlő kettővel, akkor a vezetőben nincs tér az üregen belül, bármilyen legyen is az üreg vagy a vezető.

Az ilyen kísérleteket először Cavendish hajtotta végre, majd Maxwell megismételte javított formában, így a kitevő maximális különbségére két hatványban kapta meg az értéket. 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))

Az Egyesült Államokban 1971-ben E. R. Williams, D. E. Voller és G. A. Hill által végzett kísérletek azt mutatták, hogy a Coulomb-törvényben a kitevő 2-es (3 , 1 ± 2 , 7) × 10 - 16 (\displaystyle (3,1\pm 2,7)\times 10^(-16)) .

W. Yu. Lamb és R. Rutherford 1947-ben a hidrogénenergia-szintek relatív elrendeződésének mérését használta a Coulomb-törvény pontosságának tesztelésére atomon belüli távolságokban. Megállapítást nyert, hogy a Coulomb-törvényben szereplő kitevő még 10-8 cm-es nagyságrendű atomtávolságnál is legfeljebb 10-9-el tér el a 2-től.

Együttható k (\displaystyle k) a Coulomb-törvényben 15⋅10 −6-ig állandó marad.

A Coulomb-törvény korrekciói a kvantumelektrodinamikában

Kis távolságokon (a Compton-hosszúság-elektronhullám nagyságrendjében, λ e = ℏ m e c (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3,86⋅10 −13 m , ahol m e (\displaystyle m_(e)) az elektron tömege, ℏ (\displaystyle \hbar )- Planck állandó, c (\displaystyle c)- a fénysebesség a kvantumelektrodinamika nemlineáris hatásai jelentőssé válnak: a virtuális fotoncserét virtuális elektron-pozitron (valamint müon-antimuon és taon-antitaon) párok generálják, és a szűrés hatása csökken (ld. renormalizáció). Mindkét hatás exponenciálisan csökkenő rendelési feltételek megjelenéséhez vezet e − 2 r / λ e (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e))) a töltések kölcsönhatásának potenciális energiájának kifejezésében, és ennek eredményeként a kölcsönhatási erő növekedése a Coulomb-törvény által számítotthoz képest.

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)))\jobbra))

ahol λ e (\displaystyle \lambda _(e))- Compton hullámhosszú elektron, α = e 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- állandó finom szerkezet és r ≫ λ e (\displaystyle r\gg \lambda _(e)).

A rendelési távolságokban λ W = ℏ m w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, hol m w (\displaystyle m_(w)) a W-bozon tömege, elektrogyenge hatások lépnek életbe.

Erős külső elektromágneses terekben, amelyek a letörési mező  vákuum jelentős hányadát teszik ki (nagyságrendileg m e c 2 e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m ill m e c e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, ilyen mezők figyelhetők meg például bizonyos típusú neutroncsillagok, nevezetesen a magnetárok közelében) A Coulomb-törvény is sérül a külső tér fotonjain lévő cserefotonok Delbrück-szórása és egyéb, bonyolultabb nemlineáris hatások miatt. Ez a jelenség nemcsak mikro-, hanem makroléptékben is csökkenti a Coulomb-erőt, különösen erős mágneses térben a Coulomb-potenciál nem a távolsággal fordítottan arányosan, hanem exponenciálisan esik.

Coulomb-törvény és a polarizáció vákuum

Coulomb törvénye és a szupernehéz atommagok

A Coulomb-törvény jelentése a tudománytörténetben

A Coulomb-törvény az első nyitott kvantitatív és matematikailag megfogalmazott alaptörvény az elektromágneses jelenségekre. A Coulomb-törvény felfedezésével kezdődött modern tudomány az elektromágnesességről.

Lásd még

Linkek

• Coulomb törvénye (videóóra, 10. osztályos program)

Megjegyzések

1. Sivukhin D. V. Általános tanfolyam fizika. - M.: Fizmatlit; MIPT Kiadó, 2004. - III. évf. Elektromosság. - S. 17. - 656 p. - ISBN 5-9221-0227-3.
2. Landau L.D., Lifshits E.M. Elméleti fizika: Tankönyv. juttatás: egyetemeknek . V 10 t. T. 2. Mezőelmélet. - 8. kiadás, sztereó. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 p. -