Pagina 56

LEGEA CULONULUI

Legea fundamentală a electrostaticei. Conceptul de corp încărcat punctual.

Măsurarea forței de interacțiune a sarcinilor folosind balanțe de torsiune. Experimentele lui Coulomb

Definiția unei taxe punctuale

legea lui Coulomb. Formulare și formulă

Pendant Force

Definiţia unit of charge

Coeficient în legea lui Coulomb

Comparația forțelor electrostatice și gravitaționale dintr-un atom

Echilibrul sarcinilor statice și semnificația sa fizică (pe exemplul a trei sarcini)

Legea de bază a electrostaticii este legea interacțiunii a două corpuri încărcate punctiforme nemișcate.

A fost ridicată de Charles Augustin Coulomb în 1785 și îi poartă numele.

În natură, corpurile încărcate punctiforme nu există, dar dacă distanța dintre corpuri este de multe ori mai mare decât dimensiunea lor, atunci nici forma și nici dimensiunea corpurilor încărcate nu afectează în mod semnificativ interacțiunile dintre ele. În cazul actual, aceste corpuri pot fi considerate corpuri punctuale.

Puterea interacțiunii corpurilor încărcate depinde de proprietățile mediului dintre ele. Experiența arată că aerul are un efect foarte mic asupra puterii acestei interacțiuni și se dovedește a fi aproape la fel ca în vid.

Experiența Coulomb

Primele rezultate privind măsurarea forței de interacțiune a sarcinilor au fost obținute în 1785 de omul de știință francez Charles Augustin Coulomb.

Pentru măsurarea forței a fost folosită o balanță de torsiune.

O sferă aurie mică, subțire, neîncărcată la un capăt al unei grinzi izolatoare suspendată pe un fir elastic de argint a fost echilibrată la celălalt capăt al grinzii de un disc de hârtie.

Prin rotirea balansoarului, acesta a fost adus în contact cu aceeași sferă încărcată nemișcată, drept urmare sarcina sa a fost împărțită în mod egal între sfere.

Diametrul sferelor a fost ales să fie mult mai mic decât distanța dintre ele pentru a elimina efectul dimensiunii și formei corpurilor încărcate asupra rezultatelor măsurătorilor.

O sarcină punctiformă este un corp încărcat a cărui dimensiune este mult mai mică decât distanța posibilei sale acțiuni asupra altor corpuri.

Sferele care aveau aceleași sarcini au început să se respingă între ele, răsucind firul. Unghiul de rotație era proporțional cu forța care acționa asupra sferei în mișcare.

Distanța dintre sfere a fost măsurată folosind o scală specială de calibrare.

Prin descărcarea sferei 1 după măsurarea forței și conectarea din nou cu sfera staționară, Coulomb a redus sarcina pe sferele care interacționează cu 2,4,8 etc. o singura data,

legea lui Coulomb:

Forța de interacțiune între două sarcini punctuale nemișcate în vid este direct proporțională cu produsul modulelor de sarcină și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele și este direcționată de-a lungul liniei drepte care leagă sarcinile.

k este coeficientul de proporționalitate, în funcție de alegerea sistemului de unități.

Forța F12 se numește forță Coulomb

Forța Coulomb este centrală, adică îndreptate de-a lungul liniei care leagă centrele sarcinilor.

În SI, unitatea de sarcină nu este baza, ci derivata și este definită folosind Amperi, unitatea de bază SI.

Pandantiv - o sarcină electrică care trece prin secțiunea transversală a conductorului la o putere de curent de 1 A în 1 s

În SI, coeficientul de proporționalitate din legea lui Coulomb pentru vid este:

k = 9*109 Nm2/CI2

Coeficientul este adesea scris ca:

e0 \u003d 8,85 * 10-12 C2 / (Nm2) - constantă electrică

Legea lui Coulomb se scrie sub forma:

Dacă o sarcină punctiformă este plasată într-un mediu cu o permitivitate relativă e, alta decât vid, forța Coulomb va scădea cu un factor de e.

Pentru orice mediu, cu excepția vidului e > 1

Conform legii lui Coulomb, două sarcini punctuale de 1 C fiecare, la o distanță de 1 m în vid, interacționează cu o forță

Din această estimare, se poate observa că o sarcină de 1 Coulomb este o cantitate foarte mare.

În practică, folosesc unități submultiple - μC (10-6), μC (10-3)

1 C conține 6 * 1018 sarcini de electroni.

Folosind exemplul forțelor de interacțiune dintre un electron și un proton dintr-un nucleu, se poate demonstra că forța electrostatică de interacțiune dintre particule este mai mare decât forța gravitațională cu aproximativ 39 de ordine de mărime. Cu toate acestea, forțele electrostatice de interacțiune ale corpurilor macroscopice (în general neutre din punct de vedere electric) sunt determinate doar de sarcinile în exces foarte mici situate pe ele și, prin urmare, nu sunt mari în comparație cu forțele gravitaționale care depind de masa corpurilor.

Este posibil să echilibrezi sarcinile statice?

Să considerăm un sistem de două sarcini punctiforme pozitive q1 și q2.

Să aflăm în ce punct ar trebui plasată a treia sarcină astfel încât să fie în echilibru și, de asemenea, să determinăm mărimea și semnul acestei sarcini.

Echilibrul static apare atunci când suma geometrică (vectorală) a forțelor care acționează asupra corpului este zero.

Punctul în care forțele care acționează asupra celei de-a treia sarcini q3 se pot anula reciproc este pe linia dintre sarcini.

În acest caz, sarcina q3 poate fi atât pozitivă, cât și negativă. În primul caz, forțele de respingere sunt compensate, în al doilea, forțele de atracție.

Ținând cont de legea lui Coulomb, echilibrul static al sarcinilor va fi în cazul:

Echilibrul sarcinii q3 nu depinde de valoarea acesteia sau de semnul sarcinii.

Când sarcina q3 se modifică, atât forțele de atracție (q3 pozitive) cât și forțele de respingere (q3 negative) se schimbă în mod egal

Rezolvând ecuația pătratică pentru x, se poate demonstra că o sarcină de orice semn și mărime va fi în echilibru într-un punct aflat la distanța x1 de sarcina q1:

Să aflăm dacă poziția celei de-a treia taxe va fi stabilă sau instabilă.

(În echilibru stabil, corpul, scos din poziția de echilibru, se întoarce la el, în echilibru instabil, se îndepărtează de el)

Cu o deplasare orizontală, forțele de respingere F31, F32 se modifică datorită modificării distanțelor dintre sarcini, readucerea sarcinii în poziția de echilibru.

Cu o deplasare orizontală, echilibrul de sarcină q3 este stabil.

Cu deplasarea verticală, rezultatul F31, F32 împinge afară q3

Mergi la pagina:

Subiectul 1.1 ÎNCĂRCĂRI ELECTRICE.

Sectiunea 1 FUNDAMENTELE ELECTRODINAMICII

1. Electrificarea corpurilor. Conceptul de mărime a sarcinii.

Legea conservării sarcinii.

2. Forțe de interacțiune între sarcini.

legea lui Coulomb.

3. Permitivitatea dielectrică a mediului.

4. Sistemul internațional de unități în energie electrică.

1. Electrificarea tel. Conceptul de mărime a sarcinii.

Legea conservării sarcinii.

Dacă două suprafețe sunt aduse în contact strâns, atunci disponibil tranziția electronică de la o suprafață la alta, în timp ce pe aceste suprafețe apar sarcini electrice.

Acest fenomen se numește ELECTRICARE. În timpul frecării, aria de contact strâns a suprafețelor crește, iar magnitudinea sarcinii de pe suprafață crește, de asemenea, - acest fenomen se numește ELECTRICARE PRIN FRRICȚIE.

În procesul de electrificare, are loc o redistribuire a sarcinilor, în urma căreia ambele suprafețe sunt încărcate cu o mărime egală, opusă în sarcini de semn.

pentru că toți electronii au aceleași sarcini (negative) e \u003d 1,6 10 C, apoi pentru a determina sarcina de pe suprafață (q), trebuie să știți câți electroni sunt în exces sau deficiență pe suprafață (N) și sarcina unui electron.

În procesul de electrificare, noi încărcături nu apar sau dispar, ci doar apar. redistribuireîntre corpuri sau părți ale corpului, prin urmare încărcătura totală a unui sistem închis de corpuri rămâne constantă, acesta este sensul LEGII CONSERVĂRII TAXEI.

2. Forțele de interacțiune între sarcini.

legea lui Coulomb.

Sarcinile electrice interacționează între ele, fiind la distanță, în timp ce sarcinile asemănătoare se resping, iar sarcinile diferite se atrag.

Aflat pentru prima dată cu experienta de care depinde forța de interacțiune între sarcini, savantul francez Coulomb și a dedus o lege numită legea lui Coulomb. Legea fundamentală, adică bazată pe experiențe. Pentru a deriva această lege, Coulomb a folosit o balanță de torsiune.

3) k - coeficient care exprimă dependența de mediu.

Formula legii lui Coulomb.

Forța de interacțiune dintre două sarcini punctiforme fixe este direct proporțională cu produsul mărimilor acestor sarcini și invers proporțională cu pătratul distanțelor dintre ele și depinde de mediul în care sunt situate aceste sarcini și este direcționată de-a lungul linie dreaptă care leagă centrele acestor sarcini.

3. Permitivitatea dielectrică a mediului.

E este constanta dielectrică a mediului, depinde de mediul care înconjoară sarcinile.

E \u003d 8,85 * 10 - constantă fizică, permitivitate în vid.

E - permitivitatea relativă a mediului, arată de câte ori forța de interacțiune între sarcinile punctuale în vid este mai mare decât într-un mediu dat. În vid, cea mai puternică interacțiune între sarcini.

4. Sistemul internațional de unități în energie electrică.

Unitatea de bază pentru electricitate în sistemul SI este curentul în 1A, toate celelalte unități de măsură sunt derivate din 1Ampere.

1Cl - cantitatea de sarcină electrică transportată de particulele încărcate prin secțiunea transversală a conductorului la o putere de curent de 1A timp de 1s.

Subiectul 1.2 CÂMP ELECTRIC

1. Câmp electric - ca un tip special de materie.

6. Relația dintre diferența de potențial și intensitatea câmpului electric.

1. Câmpul electric - ca un tip special de materie.

În natură, ca un fel de materie, există un câmp electromagnetic. În diferite cazuri, câmpul electromagnetic se manifestă în moduri diferite, de exemplu, în apropierea sarcinilor staționare, se manifestă doar un câmp electric, care se numește electrostatic. În apropierea sarcinilor mobile, se pot detecta atât câmpuri electrice, cât și magnetice, care împreună reprezintă CÂMPURI ELECTROMAGNETICE.

Luați în considerare proprietățile câmpurilor electrostatice:

1) Un câmp electrostatic este creat de sarcinile staționare, astfel de câmpuri pot fi detectate

cu ajutorul sarcinilor de testare (o mică sarcină pozitivă), deoarece numai asupra lor câmpul electric exercită o acțiune de forță, care respectă legea Coulomb.

2. Intensitatea câmpului electric.

Câmpul electric ca un fel de materie are energie, masă, se propagă în spațiu cu o viteză finită și nu are limite teoretice.

În practică, se consideră că nu există câmp dacă nu are un efect vizibil asupra taxelor de testare.

Deoarece câmpul poate fi detectat folosind o acțiune de forță asupra sarcinilor de testare, principala caracteristică a câmpului electric este tensiune.

Dacă în același punct al câmpului electric sunt introduse sarcini de testare de diferite mărimi, atunci există o relație direct proporțională între forța care acționează și mărimea sarcinii de testare.

Coeficientul de proporționalitate dintre forța care acționează și mărimea sarcinii este intensitatea E.

E \u003d - formula pentru calcularea intensității câmpului electric, dacă q \u003d 1 C, atunci | e | = | F |

Tensiunea este o putere caracteristică punctelor câmpului electric, deoarece este numeric egal cu forța care acționează asupra unei sarcini de 1 C într-un punct dat din câmpul electric.

Tensiunea este o mărime vectorială, vectorul intensitate coincide în direcție cu vectorul forță care acționează asupra unei sarcini pozitive într-un punct dat al câmpului electric.

3. Liniile de intensitate a câmpului electric. Câmp electric omogen.

Pentru a vizualiza câmpul electric, i.e. grafic, utilizați linii de intensitate a câmpului electric. Acestea sunt astfel de linii, numite altfel linii de forță, tangentele la care coincid în direcție cu vectorii de intensitate în punctele câmpului electric prin care trec aceste linii,

Liniile de tensiune au următoarele proprietăți:

1) Începeți de la poz. sarcinile se termină - pe negativ sau încep pe pozitiv. sarcini și merg la infinit, sau vin de la infinit și se termină cu sarcini pozitive..

2) Aceste linii sunt continue și nu se intersectează nicăieri.

3) Densitatea liniei (numărul de linii pe unitatea de suprafață) și intensitatea câmpului electric sunt în relație directă și proporțională.

Într-un câmp electric uniform, intensitatea în toate punctele câmpului este aceeași; grafic, astfel de câmpuri sunt reprezentate prin linii paralele la o distanță egală unul de celălalt. Un astfel de câmp poate fi obținut între două plăci încărcate plate paralele la o distanță mică una de cealaltă.

4. Lucrări asupra mișcării sarcinii într-un câmp electric.

Să plasăm o sarcină electrică într-un câmp electric uniform. Forțele vor acționa asupra încărcăturii din partea câmpului. Dacă încărcarea este mutată, se poate lucra.

Lucrare perfectă pe intrigă:

A \u003d q E d - formulă pentru calcularea muncii de mișcare a unei sarcini într-un câmp electric.

Concluzie: Lucrul de deplasare a unei sarcini într-un câmp electric nu depinde de forma traiectoriei, ci depinde de cantitatea de sarcină deplasată (q), puterea câmpului (E), precum și de alegerea punctele de început și de sfârșit ale mișcării (d).

Dacă o sarcină dintr-un câmp electric este deplasată de-a lungul unui circuit închis, atunci munca efectuată va fi egală cu 0. Astfel de câmpuri se numesc câmpuri potențiale. Corpurile din astfel de câmpuri au energie potențială, adică. o sarcină electrică în orice punct al câmpului electric are energie iar munca efectuată în câmpul electric este egală cu diferența de energii potențiale ale sarcinii în punctele inițiale și finale ale mișcării.

5. Potenţial. Diferenta potentiala. Voltaj.

Dacă sarcini de diferite mărimi sunt plasate într-un punct dat al câmpului electric, atunci energia potențială a sarcinii și mărimea acesteia sunt direct proporționale.

-(phi) potenţial punctual al câmpului electric

Potențialul este o energie caracteristică punctelor câmpului electric, deoarece este numeric egală cu energia potențială a unei sarcini de 1 C într-un punct dat din câmpul electric.

La distanțe egale de o sarcină punctiformă, potențialele punctelor de câmp sunt aceleași. Aceste puncte formează o suprafață cu potențial egal, iar astfel de suprafețe se numesc suprafețe echipotențiale. Pe un plan sunt cercuri, în spațiu sunt sfere.

Voltaj

Formule pentru calcularea muncii de deplasare a unei sarcini într-un câmp electric.

1V este tensiunea dintre punctele câmpului electric în mișcare în care o sarcină de 1C lucrează de 1 J.

Formula care stabilește relația dintre puterea câmpului electric, tensiune și diferența de potențial.

Tensiunea este numeric egală cu tensiunea sau diferența de potențial dintre două puncte ale câmpului luate de-a lungul aceleiași linii de câmp la o distanță de 1 m. Semnul (-) înseamnă că vectorul intensitate este întotdeauna îndreptat către punctele câmpului cu potențial descrescător.

Publicaţii bazate pe materialele lui D. Jankoli. „Fizica în două volume” 1984 Volumul 2.

Există o forță între sarcinile electrice. Cum depinde de mărimea sarcinilor și de alți factori?
Această întrebare a fost investigată în anii 1780 de către fizicianul francez Charles Coulomb (1736-1806). El a folosit o balanță de torsiune foarte asemănătoare cu cele folosite de Cavendish pentru a determina constanta gravitațională.
Daca se aplica o sarcina mingii la capatul unei tije suspendate pe un fir, tija se abate usor, firul se rasuceste, iar unghiul de rotatie al firului va fi proportional cu forta care actioneaza intre sarcini (echilibrul de torsiune) . Cu ajutorul acestui dispozitiv, Coulomb a determinat dependența forței de mărimea sarcinilor și distanța dintre ele.

În acel moment, nu existau instrumente pentru determinarea cu precizie a mărimii sarcinii, dar Coulomb a reușit să pregătească bile mici cu un raport de încărcare cunoscut. Dacă o bilă conducătoare încărcată, a argumentat el, este adusă în contact cu exact aceeași bilă neîncărcată, atunci încărcarea de pe prima, din cauza simetriei, va fi distribuită în mod egal între cele două bile.
Acest lucru i-a dat posibilitatea de a primi taxe care erau 1/2, 1/4 etc. din original.
În ciuda unor dificultăți asociate cu inducerea sarcinilor, Coulomb a reușit să demonstreze că forța cu care un corp încărcat acționează asupra altui corp mic încărcat este direct proporțională cu sarcina electrică a fiecăruia dintre ele.
Cu alte cuvinte, dacă sarcina oricăruia dintre aceste corpuri este dublată, atunci forța este de asemenea dublată; dacă totuși sarcinile ambelor corpuri sunt dublate în același timp, atunci forța va deveni de patru ori mai mare. Acest lucru este adevărat cu condiția ca distanța dintre corpuri să rămână constantă.
Schimbând distanța dintre corpuri, Coulomb a descoperit că forța care acționează între ele este invers proporțională cu pătratul distanței: dacă distanța, să zicem, se dublează, forța devine de patru ori mai mică.

Deci, a concluzionat Coulomb, forța cu care un corp încărcat mic (în cazul ideal, o sarcină punctiformă, adică un corp ca un punct material fără dimensiuni spațiale) acționează asupra altui corp încărcat este proporțională cu produsul sarcinilor lor. Q 1 și Q 2 și este invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele:

Aici k- coeficient de proporţionalitate.
Această relație este cunoscută ca legea lui Coulomb; validitatea sa a fost confirmată de experimente atente, mult mai precise decât experimentele originale ale lui Coulomb, greu de reprodus. Exponentul 2 este setat în prezent cu o precizie de 10 -16 , adică este egal cu 2 ± 2×10 -16 .

Deoarece acum avem de-a face cu o nouă mărime - sarcina electrică, putem alege o astfel de unitate de măsură, astfel încât constanta k din formulă să fie egală cu unu. Într-adevăr, un astfel de sistem de unități a fost utilizat pe scară largă în fizică până de curând.

Acesta este sistemul CGS (centimetru-gram-secundă), care utilizează unitatea electrostatică de încărcare, CGS. Prin definiție, două corpuri mici, fiecare cu o sarcină de 1 CGSE, situate la o distanță de 1 cm unul de celălalt, interacționează cu o forță de 1 dină.

Acum, însă, sarcina este cel mai adesea exprimată în sistemul SI, unde unitatea sa este pandantivul (C).
Definiția exactă a pandantivului în ceea ce privește curentul electric și câmpul magnetic va fi dată mai târziu.
În sistemul SI, constanta k are valoarea k\u003d 8,988 × 10 9 Nm 2 / Cl 2.

Sarcinile rezultate din electrificarea prin frecare a obiectelor obișnuite (piepteni, rigle de plastic etc.) sunt, în ordinea mărimii, microcoulombi și mai puțin (1 μC = 10 -6 C).
Sarcina electronului (negativă) este aproximativ egală cu 1,602×10 -19 C. Aceasta este cea mai mică sarcină cunoscută; este de o importanţă fundamentală şi se notează prin simbol e, este adesea numită sarcină elementară.
e\u003d (1,6021892 ± 0,0000046) × 10 -19 C sau e≈ 1,602×10 -19 C.

Deoarece un corp nu poate câștiga sau pierde o fracțiune de electron, sarcina totală a corpului trebuie să fie un multiplu întreg al sarcinii elementare. Ei spun că sarcina este cuantificată (adică poate lua doar valori discrete). Cu toate acestea, din moment ce sarcina electronului e este foarte mic, de obicei nu observăm discretitatea sarcinilor macroscopice (aproximativ 10 13 electroni corespund unei sarcini de 1 μC) și considerăm sarcina continuă.

Formula lui Coulomb caracterizează forța cu care o sarcină acționează asupra alteia. Această forță este direcționată de-a lungul liniei care leagă sarcinile. Dacă semnele sarcinilor sunt aceleași, atunci forțele care acționează asupra sarcinilor sunt direcționate în direcții opuse. Dacă semnele sarcinilor sunt diferite, atunci forțele care acționează asupra sarcinilor sunt îndreptate unele către altele.
Rețineți că, în conformitate cu a treia lege a lui Newton, forța cu care o sarcină acționează asupra alteia este egală ca mărime și opusă ca direcție forței cu care a doua sarcină acționează asupra primei.
Legea lui Coulomb poate fi scrisă sub formă vectorială ca legea gravitației universale a lui Newton:

Unde F 12 - vectorul forței care acționează asupra sarcinii Q 1 încărcare laterală Q 2,
- distanta dintre incarcari,
- vector unitar îndreptat din Q 2 k Q 1.
Trebuie avut în vedere faptul că formula este aplicabilă numai corpurilor, distanța dintre care este mult mai mare decât propriile dimensiuni. În mod ideal, acestea sunt taxe punctuale. Pentru corpurile de dimensiuni finite, nu este întotdeauna clar cum se calculează distanța rîntre ele, mai ales că distribuția sarcinii poate fi neomogenă. Dacă ambele corpuri sunt sfere cu o distribuție uniformă a sarcinii, atunci rînseamnă distanța dintre centrele sferelor. De asemenea, este important să înțelegem că formula determină forța care acționează asupra unei sarcini date dintr-o singură sarcină. Dacă sistemul include mai multe (sau mai multe) corpuri încărcate, atunci forța rezultată care acționează asupra unei sarcini date va fi rezultanta (suma vectorială) a forțelor care acționează din celelalte sarcini. Constanta k din formula Legii lui Coulomb este de obicei exprimată în termenii unei alte constante, ε 0 , așa-numita constantă electrică, care este legată de k raport k = 1/(4πε 0). Având în vedere acest lucru, legea lui Coulomb poate fi rescrisă în următoarea formă:

unde cu cea mai mare precizie de până acum

sau rotunjite

Scrierea majorității celorlalte ecuații ale teoriei electromagnetice este simplificată prin utilizarea ε 0 , pentru că 4π rezultatul final este adesea redus. Prin urmare, vom folosi în general Legea lui Coulomb, presupunând că:

Legea lui Coulomb descrie forța care acționează între două sarcini în repaus. Când sarcinile se mișcă, între ele apar forțe suplimentare și le vom discuta în capitolele următoare. Aici sunt luate în considerare numai taxele în repaus; această ramură a doctrinei electricității se numește electrostatică.

Va urma. Pe scurt despre următoarea publicație:

Câmp electric - una dintre cele două componente ale câmpului electromagnetic, care este un câmp vectorial care există în jurul corpurilor sau particulelor care au o sarcină electrică sau care apare atunci când câmpul magnetic se modifică.

Comentariile și sugestiile sunt acceptate și binevenite!

Conceptul de electricitate. Electrificare. Conductori, semiconductori și dielectrici. Sarcina elementară și proprietățile sale. legea lui Coulomb. Intensitatea câmpului electric. Principiul suprapunerii. Câmpul electric ca manifestare a interacțiunii. Câmpul electric al unui dipol elementar.

Termenul de electricitate provine din cuvântul grecesc electron (chihlimbar).

Electrizarea este procesul de transmitere a energiei electrice corpului.

încărca. Acest termen a fost introdus în secolul al XVI-lea de către omul de știință și medicul englez Gilbert.

ÎNCĂRCAREA ELECTRICĂ ESTE O VALOARE SCALARĂ FIZICĂ CARE CARACTERIZĂ PROPRIETĂȚILE CORPURILOR SAU PARTICULUI DE PENTRU ȘI INTERACȚIUNI ELECTROMAGNETICE ȘI DETERMINĂ FORȚA ȘI ENERGIA ACESTE INTERACȚIUNI.

Proprietățile sarcinilor electrice:

1. În natură, există două tipuri de sarcini electrice. Pozitiv (apar pe sticla frecata de piele) si negativ (apar pe ebonita frecata de blana).

2. Încărcăturile cu același nume se resping, spre deosebire de taxele care atrag.

3. Sarcina electrică NU EXISTĂ FĂRĂ PARTICULE DE PURTĂTORI DE ÎNCĂRCĂ (electron, proton, pozitron, etc.) De exemplu, sarcina e/ nu poate fi îndepărtată dintr-un electron și alte particule încărcate elementare.

4. Sarcina electrică este discretă, adică sarcina oricărui corp este un multiplu întreg al sarcina electrica elementara e(e = 1,6 10 -19 C). Electron (adică= 9,11 10 -31 kg) și proton (t p = 1,67 10 -27 kg) sunt, respectiv, purtători de sarcini elementare negative și pozitive.(Particulele cu sarcină electrică fracționată sunt cunoscute: – 1/3 e și 2/3 e - aceasta este quarci și antiquarcuri , dar nu au fost găsite în stare liberă).

5. Sarcina electrica - magnitudine relativistic invariant , acestea. nu depinde de cadrul de referință și, prin urmare, nu depinde dacă această sarcină este în mișcare sau în repaus.

6. Din generalizarea datelor experimentale, legea fundamentală a naturii - legea conservării sarcinii: suma algebrică

ma sarcinile electrice ale oricărui sistem închis(sisteme care nu fac schimb de taxe cu organismele externe) rămâne neschimbată, indiferent de procesele care au loc în cadrul acestui sistem.

Legea a fost confirmată experimental în 1843 de către un fizician englez

M. Faraday ( 1791-1867) și altele, confirmate de nașterea și anihilarea particulelor și antiparticulelor.

Unitatea de sarcină electrică (unitate derivată, așa cum este determinată prin unitatea de putere a curentului) - pandantiv (C): 1 C - sarcină electrică,

trecând prin secțiunea transversală a conductorului la o putere de curent de 1 A timp de 1 s.

Toate corpurile din natură sunt capabile să fie electrizate; dobândește o sarcină electrică. Electrificarea corpurilor poate fi realizată în diverse moduri: prin contact (frecare), inducție electrostatică

etc. Orice proces de încărcare se reduce la separarea sarcinilor, în care un exces de sarcină pozitivă apare pe unul dintre corpuri (sau o parte a corpului), iar pe celălalt (sau altă parte) apare un exces de sarcină negativă. a corpului). Numărul total de taxe ale ambelor semne conținute în corpuri nu se modifică: aceste taxe sunt doar redistribuite între corpuri.

Electrificarea corpurilor este posibilă deoarece corpurile constau din particule încărcate. În procesul de electrificare a corpurilor, electronii și ionii care sunt în stare liberă se pot mișca. Protonii rămân în nuclee.

În funcție de concentrația de taxe gratuite, corpurile sunt împărțite în conductori, dielectrici și semiconductori.

conductoare- corpuri în care sarcina electrică poate fi amestecată în volumul său. Conductorii sunt împărțiți în două grupe:

1) conductoare de primul fel (metale) - transfer la

de sarcini (electroni liberi) nu este însoțită de substanțe chimice

transformări;

2) conductoare de al doilea fel (de exemplu, săruri topite,

intervale acide) - transferul de sarcini în ele (pozitive și negative

ionii) conduce la modificări chimice.

Dielectrice(de exemplu, sticlă, materiale plastice) - corpuri în care practic nu există taxe gratuite.

Semiconductori (de exemplu, germaniu, siliciu) ocupa

poziție intermediară între conductori și dielectrici. Această împărțire a corpurilor este foarte arbitrară, dar diferența mare a concentrațiilor de sarcini libere din ele provoacă diferențe calitative uriașe în comportamentul lor și, prin urmare, justifică împărțirea corpurilor în conductori, dielectrici și semiconductori.

ELECTROSTATICĂ- știința taxelor fixe

legea lui Coulomb.

Legea interacțiunii punct fix sarcini electrice

Instalat experimental în 1785 de către Sh. Coulomb folosind balanțe de torsiune.

similare cu cele folosite de G. Cavendish pentru a determina constanta gravitațională (această lege a fost descoperită anterior de G. Cavendish, dar opera sa a rămas necunoscută timp de mai bine de 100 de ani).

taxa punctuala, se numește corp sau particule încărcate, a căror dimensiune poate fi neglijată, în comparație cu distanța până la ele.

Legea lui Coulomb: forța de interacțiune între două sarcini punctuale situate în vid proporțional cu taxele q 1și q2,și este invers proporțională cu pătratul distanței r dintre ele :

k - factor de proporționalitate în funcție de alegerea sistemului

în SI

Valoare ε 0 numit constantă electrică; se referă la

număr constante fizice fundamentale si este egal cu:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2

În formă vectorială, legea lui Coulomb în vid are forma:

unde este vectorul rază care conectează a doua sarcină cu prima, F 12 este forța care acționează de la a doua sarcină asupra primei.

Precizia implementării legii Coulomb la distanțe mari, până la

10 7 m, stabilit în timpul studiului câmpului magnetic folosind sateliți

în spațiul apropiat Pământului. Precizia implementării sale la distanțe scurte, până la 10 -17 m, verificat prin experimente privind interacțiunea particulelor elementare.

Legea lui Coulomb în mediu

În toate mediile, forța interacțiunii Coulomb este mai mică decât forța de interacțiune în vid sau aer. O mărime fizică care arată de câte ori forța interacțiunii electrostatice în vid este mai mare decât într-un mediu dat, se numește permisivitatea mediului și este notă cu litera ε.

ε = F în vid / F în mediu

Legea lui Coulomb în formă generală în SI:

Proprietățile forțelor Coulomb.

1. Forțele Coulomb sunt forțe de tip central, deoarece îndreptată de-a lungul unei linii drepte care leagă sarcinile

Forța Coulomb este o forță de atracție dacă semnele sarcinilor sunt diferite și o forță de respingere dacă semnele sarcinilor sunt aceleași.

3. Pentru forțele Coulomb, a treia lege a lui Newton este valabilă

4. Forțele Coulomb se supun principiului independenței sau suprapunerii, deoarece forța de interacțiune între două sarcini punctiforme nu se va schimba atunci când alte sarcini apar în apropiere. Forța rezultată de interacțiune electrostatică care acționează asupra unei sarcini date este egală cu suma vectorială a forțelor de interacțiune ale unei sarcini date cu fiecare sarcină a sistemului separat.

F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N

Interacțiunile dintre sarcini se realizează prin intermediul unui câmp electric. Un câmp electric este o formă specială a existenței materiei, prin care se realizează interacțiunea sarcinilor electrice. Câmpul electric se manifestă prin faptul că acționează cu forță asupra oricărei alte sarcini introduse în acest câmp. Un câmp electrostatic este creat de sarcini electrice staționare și se propagă în spațiu cu o viteză finită c.

Puterea caracteristică câmpului electric se numește putere.

tensiune electric la un moment dat se numește mărime fizică egală cu raportul dintre forța cu care acționează câmpul asupra unei sarcini de test pozitive plasate într-un punct dat și modulul acestei sarcini.

Intensitatea câmpului unei sarcini punctiforme q:

Principiul suprapunerii: puterea câmpului electric creat de sistemul de sarcini într-un punct dat din spațiu este egală cu suma vectorială a intensităților câmpurilor electrice create în acest punct de fiecare sarcină separat (în absența altor sarcini).

YouTube enciclopedic

1 / 5

✪ Lecția 213. Sarcinile electrice și interacțiunea lor. legea lui Coulomb

✪ 8 celule - 106. Legea lui Coulomb

✪ Legea lui Coulomb

✪ fizica LEGEA COULOMB rezolvarea problemelor

✪ Lecția 215

Subtitrări

Cuvântare

Forța de interacțiune a două sarcini punctuale în vid este direcționată de-a lungul liniei drepte care leagă aceste sarcini, este proporțională cu mărimile lor și este invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Este o forță atractivă dacă semnele sarcinilor sunt diferite și o forță respingătoare dacă aceste semne sunt aceleași.

Este important de reținut că, pentru ca legea să fie adevărată, este necesar:

1. Sarcinile punctuale, adică distanța dintre corpurile încărcate trebuie să fie mult mai mare decât dimensiunea lor. Totuși, se poate dovedi că forța de interacțiune a două sarcini distribuite volumetric cu distribuții spațiale neintersectate sferic simetrice este egală cu forța de interacțiune a două sarcini punctiforme echivalente situate la centrele de simetrie sferică;
2. Imobilitatea lor. În caz contrar, intră în vigoare efecte suplimentare: câmpul magnetic  al sarcinii în mișcare și forța Lorentz suplimentară corespunzătoare care acționează asupra unei alte sarcini în mișcare;
3. Aranjarea taxelor în vid.

Totuși, cu unele ajustări, legea este valabilă și pentru interacțiunile taxelor într-un mediu și pentru transferul tarifelor.

Sub formă vectorială, în formularea lui S. Coulomb, legea se scrie astfel:

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))),)

Unde F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12)) este forța cu care sarcina 1 acționează asupra sarcinii 2; q 1 , q 2 (\displaystyle q_(1),q_(2))- magnitudinea sarcinilor; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- vector rază (vector direcționat de la sarcina 1 la sarcina 2 și egal, în valoare absolută, cu distanța dintre sarcini - r 12 (\displaystyle r_(12))); k (\displaystyle k)- coeficient de proporţionalitate.

Coeficient 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))).)

Legea lui Coulomb în mecanica cuantică

Legea lui Coulomb din punctul de vedere al electrodinamicii cuantice

Poveste

Pentru prima dată pentru a investiga experimental legea interacțiunii corpurilor încărcate electric a fost sugerată de G. V. Richmann în 1752-1753. Intenționa să folosească în acest scop electrometrul „indicator” conceput de el. Implementarea acestui plan a fost împiedicată de moartea tragică a lui Richmann.

Cu aproximativ 11 ani înainte de Coulomb, în ​​1771, legea interacțiunii sarcinilor a fost descoperită experimental de G. Cavendish, dar rezultatul nu a fost publicat și a rămas necunoscut mult timp (peste 100 de ani). Manuscrisele Cavendish au fost predate lui D.C. Maxwell abia în 1874 de către unul dintre descendenții lui Cavendish la marea deschidere a Laboratorului Cavendish și publicate în 1879.

Coulomb însuși s-a angajat în studiul torsiunei firelor și a inventat balanța de torsiune. Și-a descoperit legea, folosindu-le pentru a măsura forțele de interacțiune a bilelor încărcate.

Legea lui Coulomb, principiul suprapunerii și ecuațiile lui Maxwell

Gradul de precizie al legii lui Coulomb

Legea lui Coulomb este un fapt stabilit experimental. Valabilitatea sa a fost confirmată în mod repetat de experimente din ce în ce mai precise. Una dintre direcțiile unor astfel de experimente este de a verifica dacă exponentul diferă rîn legea lui 2. Pentru a găsi această diferență se folosește faptul că dacă gradul este exact egal cu doi, atunci nu există câmp în interiorul cavității în conductor, indiferent de forma cavității sau a conductorului.

Astfel de experimente au fost efectuate mai întâi de Cavendish și repetate de Maxwell într-o formă îmbunătățită, obținând pentru diferența maximă a exponentului într-o putere de doi valoarea 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))

Experimentele efectuate în 1971 în Statele Unite de E. R. Williams, D. E. Voller și G. A. Hill au arătat că exponentul în legea lui Coulomb este de 2 la (3 , 1 ± 2 , 7) × 10 − 16 (\displaystyle (3,1\pm 2,7)\times 10^(-16)) .

Pentru a testa acuratețea legii lui Coulomb la distanțe intraatomice, W. Yu. Lamb și R. Rutherford au folosit în 1947 măsurători ale aranjamentului relativ al nivelurilor de energie a hidrogenului. S-a constatat că chiar și la distanțe de ordinul atomului 10 −8 cm, exponentul din legea Coulomb diferă de 2 cu nu mai mult de 10 −9 .

Coeficient k (\displaystyle k)în legea lui Coulomb rămâne constantă până la 15⋅10 −6 .

Corecții la legea lui Coulomb în electrodinamica cuantică

La distanțe scurte (de ordinul undei electronice Compton lungime , λ mi = ℏ m mi c (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3,86⋅10 −13 m , unde m e (\displaystyle m_(e)) este masa electronului, ℏ (\displaystyle \hbar )- constanta lui Planck, c (\displaystyle c)- viteza a luminii) efectele neliniare ale electrodinamicii cuantice devin semnificative: schimbul de fotoni virtuali este suprapus de generarea de perechi virtuale electron-pozitron (precum muon-antimuon si taon-antitaon), iar efectul screening-ului scade (vezi renormalizare). Ambele efecte duc la apariția unor termeni de ordin descrescător exponențial e - 2 r / λ e (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e)))în expresia pentru energia potențială a interacțiunii sarcinilor și, ca urmare, la o creștere a forței de interacțiune față de cea calculată de legea Coulomb.

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)))\dreapta),)

Unde λ e (\displaystyle \lambda _(e))- electron Compton lungime de undă , α = e 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- structură fină  constantă şi r ≫ λ mi (\displaystyle r\gg \lambda _(e)).

La distante de comanda λ W = ℏ m w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, unde m w (\displaystyle m_(w)) este masa bosonului W, intră în joc efectele electroslabe.

În câmpurile electromagnetice externe puternice, care alcătuiesc o parte semnificativă a câmpului de defalcare vid (de ordinul a m e c 2 e λ mi (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2)))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m sau m e c e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, astfel de câmpuri se observă, de exemplu, lângă unele tipuri de stele neutronice, și anume magnetare) Legea lui Coulomb este încălcată și din cauza împrăștierii Delbrück a fotonilor de schimb pe fotonii câmpului extern și a altor efecte neliniare, mai complexe. Acest fenomen reduce forța Coulomb nu numai la scară micro, ci și macro, în special, într-un câmp magnetic puternic, potențialul Coulomb nu scade invers proporțional cu distanța, ci exponențial.

Legea lui Coulomb și polarizarea vidul

Legea lui Coulomb și nucleele supergrele

Semnificația legii lui Coulomb în istoria științei

Legea lui Coulomb este prima lege fundamentală deschisă cantitativă și formulată matematic pentru fenomenele electromagnetice. Odată cu descoperirea legii lui Coulomb, a început știința modernă a electromagnetismului.

Vezi si

Legături

• Legea lui Coulomb (lecție video, program de clasa a X-a)

Note

1. Sivukhin D. V. Curs general de fizică. - M.: Fizmatlit; Editura MIPT, 2004. - Vol. III. Electricitate. - S. 17. - 656 p. - ISBN 5-9221-0227-3.
2. Landau L.D., Lifshits E.M. Fizica teoretică: manual. alocație: Pentru universitați. V 10 t. T. 2 Teoria câmpului. - Ed. a 8-a, stereo. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 p. -