Закон кулона: формула, определение, сила взаимодействия зарядов, коэффициент

Содержание
  1. Неподвижные точечные заряды
  2. Коэффициент пропорциональности K и электрическая постоянная с точки зрения физики
  3. Каким прибором измеряется электрический заряд?
  4. Ограничение в применении
  5. Закон Кулона для зарядов в веществе
  6. Крутильные весы Шарля Кулона
  7. Кулоновский закон для среды диэлектриков
  8. Электризация
  9. Коэффициент пропорциональности k и электрическая постоянная
  10. Поляризация диэлектрика
  11. Коэффициент пропорциональности k и электрическая постоянная
  12. Коэффициент k
  13. Устройство крутильных весов Шарля Кулона
  14. Направление силы Кулона и векторный вид формулы
  15. Электростатическая индукция
  16. Прямая и обратная пропорциональность
  17. Закон сохранения электрического заряда
  18. Где закон Кулона применяется на практике
  19. Закон Кулона для зарядов в вакууме
  20. Что такое коэффициент k с точки зрения физики
  21. Направление сил в законе Кулона

Неподвижные точечные заряды

Закон Кулона применяется к неподвижным телам, размер которых намного меньше, чем их расстояние от других объектов. На таких телах сосредоточен точечный электрический заряд. При решении физических задач габаритами рассматриваемых тел пренебрегают, так как они не имеют особого значения.

На практике ставки остальных точек представлены следующим образом:

Точечный заряд положительно заряжает q1.
Точечный заряд положительно заряжает q2.

В этом случае q1 и q2 являются положительными электрическими зарядами и на них действует кулоновская сила (на рисунке не показана). Размер точечных объектов значения не имеет.

Примечание! В покое заряды расположены друг от друга на заданном расстоянии, которое в задачах обычно обозначается буквой r. Далее в статье эти расходы будут считаться пустыми.

Коэффициент пропорциональности K и электрическая постоянная с точки зрения физики

Сила взаимодействия рассчитывается с использованием индекса k, который, согласно CGSE, обозначает единицу заряда.
Вычислять его не нужно, так как с математической точки зрения он всегда равен 1 (при условии, что заряды находятся в вакууме).
Но индекс K постоянен для данных условий.
Это не статичный показатель, заранее рассчитать его невозможно.
Но для двух тел пополам значение K всегда остается неизменным.

Каким прибором измеряется электрический заряд?

Устройство, обнаруживающее электрический заряд, называется электроскопом.

Электроскоп (от греческих слов «электрон» и skopeo — наблюдать, обнаруживать) — прибор для индикации наличия электрического заряда.

Принцип действия электроскопа основан на том, что на одноименные тела действуют силы взаимного отталкивания.

Вы также можете измерить электрический заряд с помощью электрометра, в простейшем случае, состоящего из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси

Вы спросите, чем электрометр отличается от электроскопа? Электроскоп и электрометр — это устройства для обнаружения зарядов. На электрометре есть стрелка, которая также позволяет оценить (измерить) электрический заряд.

То есть электроскоп находит заряд, а электрометр еще и силу заряда измеряет (измеритель должен измерять, рассчитывать)

Ограничение в применении

Закон Кулона является фундаментальным для всех электромагнитных взаимодействий.
Но это работает только на относительно небольших расстояниях.
Минимум 10-16 метров, максимум несколько километров.
И рассчитан он только для неподвижных тел, расстояние между которыми не меняется.
Причем условное действие всех окружающих сил равно нулю (кроме поляризации среды, в которой находятся заряженные тела).
Следовательно, сумма моментов также равна нулю и в формуле не учитывается.
Но также известно, что при чрезмерно высоких зарядах (когда между телами образуется плазменное облако) сила взаимодействия растет экспоненциально.
Но по какой формуле — ученые пока установить не смогли.
И здесь вы можете увидеть практический смысл кулоновской силы.
Удары молнии происходят только между землей и грозовыми облаками, которые находятся на высоте менее 2 километров над землей.
При этом поля заряженных ионов, расположенные в верхних слоях атмосферы, взаимодействуют только друг с другом.
В противном случае Земля была бы необитаемой планетой.
Кроме того, закон не может применяться, если заряды помещены в среду, не являющуюся диэлектриком, поскольку существующий потенциал мгновенно выравнивается.
Поэтому его нельзя использовать, например, для расчета потенциально опасного расстояния между трансформатором и человеком.

Закон Кулона для зарядов в веществе

Действие тел друг на друга, помещенных в какое-то вещество, будет меньше, чем в вакууме.
Сила взаимодействия точечных зарядов рассчитывается аналогично, но добавляются 2 дополнительных составляющих:

Закон Кулона

  • объем вещества (которое условно взаимодействует с телами);
  • проницаемость для вещества (диэлектрика).

Крутильные весы Шарля Кулона

Это устройство, разработанное Кулоном в 1777 году, помогло вывести зависимость силы, позже названную его именем. С его помощью изучается взаимодействие точечных зарядов и магнитных полюсов.

Торсионные весы имеют небольшую шелковую нить в вертикальной плоскости, на которой висит балансир. Точечные заряды расположены на концах рычага.

Под действием внешних сил рычаг начинает двигаться по горизонтали. Рычаг будет двигаться в плоскости до тех пор, пока не будет уравновешен упругой силой проволоки.

В процессе движения рычаг отклоняется от вертикальной оси на определенный угол. Он принимается за d и называется углом поворота. Зная значение этого параметра, можно узнать крутящий момент возникающих сил.

Торсионное равновесие Шарля Кулона выглядит так:

Торсионные весы Шарля Кулона.

Кулоновский закон для среды диэлектриков

Закон Кулона

Учитывая все значения в системе СИ, множитель k будет равен следующему значению с соответствующей единицей измерения. Однако в большинстве учебников этот коэффициент записывается в виде дроби.

Закон Кулона

Если значение электрической постоянной составляет — E0 = 8,85 * 10-12 Cl2 / Н * м2 В диэлектрической среде значение диэлектрической проницаемости фигурирует в уравнении.

Следовательно, рассмотренный закон Кулона может быть применен при расчете сил взаимодействия заряда в вакууме и заряда в среде.

Теперь вы можете видеть, что при введении диэлектрика значение силы F уменьшится.

Электризация

Чтобы понять, как тело приобретает электрический заряд и сохраняет его, нам сначала нужно больше узнать о протоне и электроне. Протон ленив и неуклюж — он определенно никуда не двинется, если мы не переместим весь атом.

Но электрон — мобильный тип, и ему ничего не стоит перебегать от одного атома к другому.

Кулон Carlo

Мы поговорим о двух типах электрификации: контактной электрификации и электрификации трением.

  • Контактная электризация — это процесс, в котором мы берем два проводящих тела: отрицательно заряженные и нейтральные.

Свободные электроны переходят из пустого тела в нейтральное. И если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, свободные электроны отойдут от нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.

  • Электрификация трением — это когда мы берем два незаряженных тела и три из них друг против друга.

Электроны переходят от одного тела к другому и, в отличие от электризации, при контакте заряжаются зарядами противоположного знака и одинакового модуля.

То есть при контакте заряд распределяется одного знака и поровну. Как будто вы делитесь конфетами, которые у вас в изобилии, с другом.

При трении, наоборот, заряды тел будут разных знаков, но тоже в одинаковом количестве. Например, у вас одинаковая сумма денег в рублях и долларах, а у меня аналогичная ситуация с такой же суммой. Вы решили лететь в США, но мне не нужны доллары. Чтобы не идти в банк, можно просто поменять. Тогда у вас будут только доллары, а у меня будут только рубли. Главное — согласовать курс 🙂

Решим пару задач по этой теме.

Проблема первая

Из какого материала может быть изготовлен стержень, соединяющий показанные на рисунке электрометры?

Стакан

Б. Эбонит

протон и электрон

Решение:

Он может состоять из проводника или диэлектрика. Проводник пропускает заряды через себя, а диэлектрик — нет. Если мы посмотрим на показания электрометров, то увидим, что они разные.

Напомним, что при контакте заряды одинаковы по размеру (электрометр делит конфеты с другим). При этом никто ни с кем не поделился, значит, стержень не отпускает — это диэлектрик. И стекло, и эбонит диэлектрики. Так что подходят оба варианта!

Проблема вторая

В процессе трения о шелк стеклянная линейка приобретала положительный заряд. Как изменилось количество заряженных частиц на линейке и шелке при отсутствии обмена при трении?

А) количество протонов на стеклянной линейке

Б) количество электронов на шелке

Решение:

Вспомните, как мы характеризовали протон: он ленив и неподвижен! Это означает, что количество протонов на стеклянной линейке или на шелке просто не может измениться. Мы не разбиваем кусок линейки вместе с составляющими ее атомами. Но электроны движутся охотно. Мы знаем, что линейка приобрела положительный заряд. Оказывается, электроны ускользнули от нее на шелк. В результате количество электронов на шелке увеличилось.

Коэффициент пропорциональности k и электрическая постоянная

Формула закона Кулона содержит параметры k — коэффициент пропорциональности o  varepsilon_0
— электрическая постоянная электрическая постоянная  varepsilon_0
он есть во многих справочниках, учебниках, в Интернете и не нуждается в подсчете! Коэффициент пропорциональности вакуума на основе  varepsilon_0
можно найти по известной формуле:

к =  гидроразрыва {1} {4  cdot  pi  cdot  varepsilon_0}

Здесь  varepsilon_0 = 8,85  cdot 10 ^ {- 12}  frac {C ^ 2} {H  cdot m ^ 2}
— электрическая постоянная,

 pi = 3,14
-Пи,

k = 9  cdot 10 ^ {9}  frac {H  cdot m ^ 2} {C ^ 2}
— коэффициент пропорциональности в вакууме.

Дополнительная информация! Не зная представленных выше параметров, не получится найти силу взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами.
Формулировка и формула закона Кулона

Подводя итог вышесказанному, необходимо дать официальную формулировку основного закона электростатики в виде:

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату их расстояния. Кроме того, продукт из наполнителей должен быть оформлен!

F = к  cdot  frac {| q_1 |  cdot | q_2 |} {г ^ 2}

В этой формуле q1 и q2 — точечные заряды, рассматриваемые как тела; r2 — расстояние в плоскости между этими телами, взятое в квадрате; k — коэффициент пропорциональности (9  cdot 10 ^ {9}  frac {H  cdot m ^ 2} {C ^ 2}
для вакуума).

Поляризация диэлектрика

Возьмем из экзамена два, на первый взгляд, одинаковых задания.

Упражнение 1

Если, не касаясь, точечный положительный заряд переносится на разряженный металлический шар, то отрицательный заряд появится на стороне шара, ближайшей к заряду. Как называется это явление?

Мы только что поняли: это электростатическая индукция.

Задача 2

Если точечный положительный заряд переносится на незаряженную диэлектрическую сферу, не касаясь ее, отрицательный заряд появится на стороне сферы, ближайшей к заряду. Как называется это явление?

Похоже, что это очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризацией. В чем разница:

В первом случае это проводник, а во втором — диэлектрик. Не вдаваясь в подробности, поляризация диэлектрика — это процесс, очень похожий по природе на электростатическую индукцию, за исключением того, что он происходит в непроводящих материалах.

Коэффициент пропорциональности k и электрическая постоянная

Формула закона Кулона содержит параметры k — коэффициент пропорциональности o varepsilon_0
— электрическая постоянная электрическая постоянная varepsilon_0
он есть во многих справочниках, учебниках, в Интернете и не нуждается в подсчете! Коэффициент пропорциональности вакуума на основе varepsilon_0
можно найти по известной формуле:

k = гидроразрыв {1} {4cdot picdot varepsilon_0}

Здесь varepsilon_0 = 8.85cdot 10 ^ {- 12} frac {C ^ 2} {Hcdot m ^ 2}
— электрическая постоянная,

пи = 3,14
-Пи,

k = 9cdot 10 ^ {9} frac {Hcdot m ^ 2} {C ^ 2}
— коэффициент пропорциональности в вакууме.

Дополнительная информация! Не зная представленных выше параметров, не получится найти силу взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами.
Формулировка и формула закона Кулона

Подводя итог вышесказанному, необходимо дать официальную формулировку основного закона электростатики в виде:

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату их расстояния. Кроме того, продукт из наполнителей должен быть оформлен!

F = kcdot frac {| q_1 | cdot | q_2 |} {г ^ 2}

В этой формуле q1 и q2 — точечные заряды, рассматриваемые как тела; r2 — расстояние в плоскости между этими телами, взятое в квадрате; k — коэффициент пропорциональности (9cdot 10 ^ {9} frac {Hcdot m ^ 2} {C ^ 2}
для вакуума).

Коэффициент k

Формула содержит коэффициент пропорциональности k, который предназначен для согласования пропорций в международной системе СИ. В этой системе единица заряда обычно называется кулоном (Кл) — заряд, который проходит через проводник за 1 секунду, где сила тока составляет 1 А.

Коэффициент k в СИ выражается следующим образом: k = 1 / 4πε0, где ε0 — электрическая постоянная: ε0 = 8,85 ∙ 10-12 Cl2 / N ∙ m2. Проведя несложные вычисления, находим: k = 9 × 109 H * м2 / Cl2. В метрической системе СГС k = 1.

На основе экспериментов было установлено, что кулоновские силы, как и принцип суперпозиции электрических полей, в законах электростатики описывают уравнения Максвелла.

Если несколько заряженных тел взаимодействуют друг с другом, в замкнутой системе результирующая сила этого взаимодействия равна векторной сумме всех заряженных тел. В такой системе электрические заряды не исчезают — они передаются от одного тела к другому.

Устройство крутильных весов Шарля Кулона

Для экспериментов Кулон использовал так называемые «крутильные весы».
Их основа — шелковая нить (в безвоздушном пространстве).
На нем есть уравновешенный рычаг, по краям которого они нагружены (аналогично помещены в вакуум).
Когда возникает внешняя движущая сила, рычаг перемещается горизонтально. И он движется, пока не уравновесится упругой силой существующей шелковой нити.
В этом случае рычаг отклоняется от оси (обозначена d). И зная это отклонение, можно вычислить момент кулоновского взаимодействия.
допускается замена провода на любой другой материал, главное рассчитать его обратное сопротивление, которое уравновешивает всю конструкцию.

Закон Кулона

Но это современная вариация весов.
Сам Шарль Кулон провел эксперимент иначе.
Сначала фиксировалось положение горизонтального рычага, когда оба корпуса не были нагружены.
Итак, один из шаров получил определенный заряд. Вернувшись в пустоту, тела начали взаимодействовать друг с другом.
С какой силой — показал только шкалу прогиба (с поправкой на силу упругости проволоки, которая поддерживала всю конструкцию).
Это физическое явление позволило определить, что сила прямо пропорциональна заряду.
Чем больше потенциал тел, тем больше отклонение на шкале.
Впоследствии аналогичный эксперимент был проведен в условиях воздуха.
Разница в результатах минимальна, поэтому принято считать, что закон Кулона справедлив как для вакуума, так и для воздуха (из-за одинаковой диэлектрической проводимости пространства на единицу).
Таким образом, эксперимент Чарльза достаточно реалистичен, чтобы его можно было повторить дома при наличии источника тока и высокоточного измерительного прибора (мультиметра).
В качестве тел можно использовать все те же металлические шарики.

Направление силы Кулона и векторный вид формулы

Для полного понимания формулы закон Кулона можно представить наглядно:

Направление кулоновской силы для двух точечных зарядов одинаковой полярности.

F1,2 — сила взаимодействия первого заряда по отношению ко второму.

F2,1 — сила взаимодействия второго заряда по отношению к первому.

Кроме того, при решении задач электростатики необходимо учитывать одно важное правило: одноименные электрические заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются. От этого зависит расположение сил взаимодействия на рисунке.

Если рассматривать противоположные заряды, силы их взаимодействия будут направлены навстречу друг другу, представляя их притяжение.

Направление кулоновской силы для двух точечных зарядов разной полярности.

Формулу основного закона электростатики в векторной форме можно представить следующим образом:

 vec F_1_2 =  frac {1} {4  cdot  pi  cdot  varepsilon_0}  cdot  frac {q_1  cdot q_2} {r_1_2 ^ 3}  cdot  vec r_1_2

 vec F_1_2
сила, действующая на точечный заряд q1 со стороны заряда q2,

 vec r_1_2
именно радиус вектора связывает заряд q2 с зарядом q1,

r = |  vec r_1_2|

Важно! После записи формулы в векторной форме взаимодействующие силы двух точечных электрических зарядов необходимо будет спроецировать на ось, чтобы правильно расположить знаки. Это действие является формальностью и часто выполняется мысленно без каких-либо нот.

Электростатическая индукция

Похоже, электрификация решена. Теперь давайте попробуем понять, что происходит, если мы переносим одно тело в другое, но близко не приближаемся. Возникнет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в телах с нейтральным зарядом.

Давайте посмотрим на пример проблемы:

Разряженный металлический шар подвешен к проволоке. Снизу принесли положительно заряженную палку. Как изменится сила натяжения нити?

Пример решения проблемы

Решение:

здесь важно подчеркнуть, что отсутствие заряда означает нейтральный заряд. То есть в теле одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.

Электроны металлической сферы будут притягиваться к приподнятому положительному стержню. В результате шарик притягивается к палке, и сила натяжения нити увеличивается.

Ответ: Натяжение нити увеличивается

Прямая и обратная пропорциональность

Прямая пропорциональность — это зависимость двух величин, в которой одна величина зависит от второй величины, так что их соотношение остается неизменным. Эти величины называются прямо пропорциональными или просто пропорциональными.

Рассмотрим пример прямой пропорциональности по формуле маршрута:

s = vt,

где s — путь, v — скорость, t — время.

При равномерном движении путь пропорционален времени в пути. Если взять скорость v равной 5 км / ч, то маршрут s будет зависеть только от времени в пути t:

Скорость v = 5 км / ч Время t (ч) Расстояние s (км)

1 2 4 восемь 16
5 10 ветры 40 80

Пример показывает, что во сколько раз увеличивается время движения t, во столько же раз увеличивается пройденное расстояние s. В примере мы каждый раз удваивали время, так как скорость не менялась, расстояние также удваивалось.

В этом случае скорость (v = 5 км / ч) является коэффициентом прямой пропорциональности, т.е соотношением расстояния и времени, которое остается неизменным:

s = v,
т

так,

5 = 10 = ветры = 40 = 80 = 5.
1 2 4 восемь 16

Если время движения останется неизменным, то при плавном движении расстояние будет пропорционально скорости:

Время t = 2 ч Скорость v (км / ч) Расстояние s (км)

5 15 45 90
10 тридцать 90 180

В этом примере коэффициент прямой пропорциональности, то есть соотношение между расстоянием и скоростью, которое остается неизменным, является временем (t = 2 часа):

s = t,
v

так,

10 = тридцать = 90 = 180 = 2.
5 15 45 90

Из этих примеров следует, что две величины называются прямо пропорциональными, если, когда одна из них увеличивается (или уменьшается) несколько раз, другая увеличивается (или уменьшается) на такую ​​же величину.

Формула прямой пропорциональности:

у = кх,

где y и x — переменные, а k — константа, называемая коэффициентом линейной пропорциональности.

Коэффициент прямой пропорциональности — это отношение любых соответствующих значений пропорциональных переменных y и x, равных одному и тому же числу.

Формула коэффициента прямой пропорциональности:

да = k.
икс
  1. Область определения: множество всех действительных чисел, кроме x = 0.

    D (y): (-∞; 0) U (0; +∞).

  2. Диапазон: все действительные числа, кроме y = 0.

    E (y): (-∞; 0) U (0; +∞).

  3. Не имеет максимальных и минимальных значений.
  4. он нечетный, и его график симметричен относительно начала координат.
  5. Не периодический.
  6. Его график не пересекает оси координат.
  7. В нем нет нулей.
  8. Если k> 0 (аргумент увеличивается), функция убывает пропорционально каждому из своих интервалов. Если k <0 (аргумент уменьшается), функция увеличивается пропорционально каждому из своих интервалов.
  9. По мере увеличения аргумента (k> 0) отрицательные значения функции находятся в диапазоне (-∞; 0), а положительные значения — (0; + ∞). При уменьшении аргумента (k <0) отрицательные значения лежат на интервале (0; + ∞), положительные значения — (-∞; 0).

Обратная пропорциональность — это зависимость двух величин, в которой увеличение одной величины приводит к пропорциональному уменьшению другой. Такие величины называются обратно пропорциональными.

Рассмотрим пример обратной пропорциональности по формуле пути:

s = vt,

где s — путь, v — скорость, t — время.

При движении по одному и тому же пути с разной скоростью время будет обратно пропорционально скорости. Если взять путь s равным 120 км, то время t, необходимое для преодоления этого пути, будет зависеть только от скорости движения v:

Расстояние s = 120 км Скорость v (км / ч) Время t (ч)

10 ветры 40 80
12 6 3 1.5

Пример показывает, что во сколько раз увеличивается скорость движения v, время t уменьшается на ту же величину. В этом примере мы увеличивали скорость движения каждый раз в 2 раза, и, поскольку расстояние, которое нужно пройти, не изменилось, время на преодоление этого расстояния также было уменьшено вдвое.

В этом случае расстояние (s = 120 км) является обратным коэффициентом пропорциональности, т.е произведением скорости и времени:

s = vt,

так,

10 12 = 20 6 = 40 3 = 80 1,5 = 120.

Из этого примера следует, что две величины называются обратно пропорциональными, если при увеличении одной из них в несколько раз другая уменьшается на такую ​​же величину.

Формула обратной пропорциональности:

y  = k ,
икс

где y и x — переменные, а k — константа, называемая коэффициентом обратной пропорциональности.

Обратный коэффициент — это произведение любых соответствующих значений обратно пропорциональных переменных y и x, равных одному и тому же числу.

Формула обратной пропорции:

ху = к.

Закон сохранения электрического заряда

И последнее, о чем мы сегодня поговорим, — это закон сохранения заряда

Это звучит так:

Алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения офиса

q1 + q2 + q3 +… + qn = стоимость

q1, q2, q3,…, qn заряжаются в электрически замкнутой системе Cl

Сложные времена

У нас есть два металлических шара. Один имеет положительный заряд 2q, а другой отрицательный заряд -3q. Шары касаются друг друга, после чего разделяются. Каков последний заряд каждого шара?

Решение:

Чтобы решить эту проблему, нам нужно найти алгебраическую сумму зарядов.

2q — 3q = -1q.

Это общий заряд шаров до, после и во время взаимодействия.

Поскольку общий заряд остается, но шары коснулись, общий заряд будет разделен поровну между всеми шарами. То есть нам просто нужно разделить общий заряд на количество шаров — на 2.

-1/2 = -0,5 кв.

И это ответ на нашу проблему.

Ответ: Окончательный заряд шаров составит -0,5 С.

Проблема вторая

Металлическая пластина с положительным зарядом по модулю 10e потеряла шесть электронов при освещении. Сколько стоит номерной знак?

Решение:

6 электронов было снято с положительно заряженной пластины 10e. Заряд электрона равен -e. Давайте сэкономим на математике и посчитаем:

q = q₀ — 6 (- e) = 10e + 6e = 16e

Красный знак «минус» образуется из-за того, что мы «убираем» электроны, а зеленый — из-за того, что электрон отрицательный. Минус, умноженный на минус, является плюсом, поэтому мы получаем 10e + 6e = 16e.

Ответ: 16e

Проблема третья

Есть две одинаковые токопроводящие сферы. Одному из них сказали, что электрический заряд равен + 8q, другому -4q. Затем шары соприкасались и разносились на такое же расстояние. Какие заряды у мячей после контакта?

Решение:

Согласно закону сохранения заряда сумма зарядов в замкнутой системе остается постоянной.

+ 8q — 4q = + 4q

Два шара соприкоснулись и разложились, это означает, что их общий заряд будет поровну разделен между шарами.

+ 4q / 2 = + 2q

Ответ: заряды шаров равны 2q.

Где закон Кулона применяется на практике

Фундаментальный закон электростатики — важнейшее открытие Чарльза Кулона, нашедшее применение во многих областях.

Труды известного физика использовались при изобретении различных устройств, инструментов, приспособлений. Например, громоотвод.

С помощью громоотвода защищают жилые дома и постройки от молнии во время грозы. Таким образом повышается степень защиты электрооборудования.

Громоотвод работает по следующему принципу: во время грозы на земле постепенно начинают накапливаться сильные индукционные заряды, которые поднимаются вверх и притягиваются к облакам. В этом случае на земле образуется довольно большое электрическое поле. Возле молниеотвода усиливается электрическое поле, в результате чего с наконечника устройства запускается коронный электрический заряд.

Кроме того, заряд, образовавшийся на земле, начинает притягиваться к заряду облака противоположного знака, как и должно быть по закону Шарля Кулона. Впоследствии воздух проходит через процесс ионизации, и напряженность электрического поля уменьшается около конца молниеотвода. Таким образом, риск удара молнии в здание минимален.

Примечание! Если удар попадет в здание, на котором установлен громоотвод, возгорания не произойдет и вся энергия уйдет в землю.

На основе закона Кулона было разработано устройство под названием «Ускоритель частиц», которое сегодня пользуется большим спросом.

В этом устройстве создается сильное электрическое поле, которое увеличивает энергию падающих в него частиц.

Закон Кулона для зарядов в вакууме

Рассмотрим два точечных заряда, которые находятся в вакууме (рис. 2).

Рис. 2. Два положительных заряда q и Q, расположенные в вакууме на расстоянии r, отталкиваются друг от друга. Силы отталкивания направлены по линии, соединяющей заряды

На рисунке 2 сила ( large F_ {Q} ) — это сила, с которой положительный заряд Q отталкивает второй положительный заряд q. А сила ( large F_ {q} ) принадлежит заряду q, с этой силой он отталкивает заряд Q.

Примечание: точечный заряд — это заряженное тело незначительного размера и формы.

Силы взаимодействия зарядов, согласно третьему закону Ньютона, равны по величине и направлены в противоположную сторону. Поэтому для удобства можно ввести обозначения:

large F_ {q} = F_ {Q} = F

Для силы взаимодействия зарядов в вакууме Чарльз Кулон сформулировал закон следующим образом:

Две точки зарядки в вакууме,
взаимодействовать с силой
прямо пропорциональный
произведение значений заряда
и обратно пропорционально
квадрат расстояния между ними.

Формула этого закона на языке математики записывается так:

large boxed {F = k cdot frac {| q | cdot | Q | } {г ^ {2}} }

(F left (H right) ) — сила, с которой два точечных заряда притягиваются или отталкиваются;

(| q | left ( text {Кл} right) ) — значение первого заряда;

(| Q | left ( text {Кл} right) ) — значение второго заряда;

(r left ( text {m} right) ) — расстояние между двумя точечными зарядами;

(k ) — постоянная величина, коэффициент в системе СИ;

Сила — это вектор. Двумя основными характеристиками вектора являются его длина и направление.

Формула позволяет найти одну из характеристик вектора F — модуль (длину) вектора.

Чтобы определить вторую характеристику вектора F — его направление, необходимо воспользоваться правилом: мысленно соединить два неподвижных точечных заряда прямой линией. Сила, с которой они взаимодействуют, будет направлена ​​по этой прямой.

Кулоновская сила является центральной силой, так как она направлена ​​вдоль линии, соединяющей центры тел.

Примечание: еще один пример центральной силы — гравитация.

Что такое коэффициент k с точки зрения физики

Константа (k ), входящая в формулу для силы взаимодействия зарядов, имеет следующий физический смысл:

(k ) — сила, с которой два положительных точечных заряда по 1 Кл каждый отталкиваются, когда расстояние между ними составляет 1 метр.

Постоянная k равна девяти миллиардам!

large boxed {k = 9 cdot 10 ^ {9} left (H cdot frac { text {м} ^ {2}} { text {Кл} ^ {2}} right) }

Это означает, что заряды взаимодействуют с большими силами.

Рис. 3. Коэффициент k в формуле взаимодействия зарядов

Константу k можно вычислить эмпирически, поместив два известных заряда (не обязательно по 1 кулону каждый) на удобном для измерений расстоянии (не обязательно 1 метр) и измерив силу друг друга.

необходимо подставить известные значения зарядов, расстояние между ними и измеренную силу в следующую формулу:

large boxed {k = frac {F cdot r ^ {2}} {| q | cdot | Q|} }

Величина k связана с электрической постоянной ( varepsilon ) следующей формулой:

large boxed {k = frac {1} {4 pi cdot varepsilon_ {0}} }

Поэтому дробь в правой части этой формулы можно найти в различных справочниках по физике, где она заменяет коэффициент k.

Направление сил в законе Кулона

Как упоминалось выше, направление взаимодействующих сил двух точечных электрических зарядов зависит от их полярности. Подобные обвинения отталкивают друг друга и привлекают разные обвинения.

Кулоновские силы также можно назвать векторным радиусом, поскольку они направлены по линии, проведенной между ними.

В некоторых физических задачах задаются тела сложной формы, которые нельзя принять за точечный электрический заряд, т.е пренебречь его размером. В этой ситуации рассматриваемое тело необходимо разделить на несколько небольших частей, и каждую часть необходимо рассчитать отдельно, применяя закон Кулона.

Векторы сил, полученные при разбиении, суммируются в соответствии с правилами алгебры и геометрии. Результат — это результирующая сила, которая и будет ответом на поставленную задачу. Это решение часто называют методом треугольника.

Направление векторов кулоновской силы.

Источники

  • https://odinelectric.ru/knowledgebase/zakon-kulona-opredelenie-i-formula
  • [https://electrically.ru/teoriya/zakon-kulona]
  • [https://ElectroInfo.net/informacija/zakon-kulona-formula-opredelenie-sila-vzaimodejstvija-zarjadov-kojefficient-primenenie-na-praktike.html]
  • [https://proelectriky.info/teoriya-i-raschety/zakon-kulona]
  • [https://skysmart.ru/articles/physics/zakon-sohraneniya-elektricheskogo-zaryada]
  • [https://www.asutpp.ru/zakon-kulona.html]
  • [https://formulki.ru/electromagnetism/zakon-kulona]

Оцените статью
Блог про электронику