Ο νόμος του Coulomb και η εφαρμογή του στην ηλεκτρική μηχανική

Ακριβώς όπως στη Νευτώνεια μηχανική, η βαρυτική αλληλεπίδραση συμβαίνει πάντα μεταξύ σωμάτων με μάζες, παρόμοια με την ηλεκτροδυναμική, η ηλεκτρική αλληλεπίδραση είναι χαρακτηριστική των σωμάτων με ηλεκτρικά φορτία. Το ηλεκτρικό φορτίο συμβολίζεται με το σύμβολο «q» ή «Q».

Μπορούμε μάλιστα να πούμε ότι η έννοια του ηλεκτρικού φορτίου q στην ηλεκτροδυναμική είναι κάπως παρόμοια με την έννοια της βαρυτικής μάζας m στη μηχανική. Αλλά σε αντίθεση με τη βαρυτική μάζα, το ηλεκτρικό φορτίο χαρακτηρίζει την ιδιότητα των σωμάτων και των σωματιδίων να εισέρχονται σε ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις και αυτές οι αλληλεπιδράσεις, όπως καταλαβαίνετε, δεν είναι βαρυτικές.

Ηλεκτρικά φορτία

Η ανθρώπινη εμπειρία στη μελέτη των ηλεκτρικών φαινομένων περιέχει πολλά πειραματικά αποτελέσματα και όλα αυτά τα γεγονότα επέτρεψαν στους φυσικούς να καταλήξουν στα ακόλουθα αδιαμφισβήτητα συμπεράσματα σχετικά με τα ηλεκτρικά φορτία:

1. Τα ηλεκτρικά φορτία είναι δύο τύπων — υπό όρους μπορούν να χωριστούν σε θετικά και αρνητικά.

2.Τα ηλεκτρικά φορτία μπορούν να μεταφερθούν από ένα φορτισμένο αντικείμενο σε άλλο: για παράδειγμα, φέρνοντας σε επαφή σώματα μεταξύ τους - το φορτίο μεταξύ τους μπορεί να διαχωριστεί. Σε αυτήν την περίπτωση, το ηλεκτρικό φορτίο δεν είναι καθόλου υποχρεωτικό συστατικό του σώματος: υπό διαφορετικές συνθήκες, το ίδιο αντικείμενο μπορεί να έχει φορτίο διαφορετικού μεγέθους και πρόσημου ή μπορεί να μην έχει φορτίο. Έτσι το τέλος δεν είναι κάτι εγγενές στον φορέα και ταυτόχρονα το τέλος δεν μπορεί να υπάρξει χωρίς τον φορέα.

3. Ενώ τα βαρυτικά σώματα έλκονται πάντα το ένα το άλλο, τα ηλεκτρικά φορτία μπορούν να έλκονται και να απωθούν το ένα το άλλο. Όπως τα φορτία έλκονται αμοιβαία, όπως τα φορτία απωθούνται.

Φορείς φορτίου είναι τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και άλλα στοιχειώδη σωματίδια. Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτρικών φορτίων — θετικά και αρνητικά. Τα θετικά φορτία είναι αυτά που εμφανίζονται στο γυαλί τριμμένο με δέρμα. Αρνητικό - Φορτώσεις που εμφανίζονται σε τριμμένο με γούνα κεχριμπάρι. Οι αρχές που κατηγορούνται για τις ομώνυμες κατηγορίες απωθούνται. Αντικείμενα με αντίθετα φορτία έλκονται μεταξύ τους.

Ο νόμος της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φύσης, λέει ως εξής: «το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων όλων των σωμάτων σε ένα απομονωμένο σύστημα παραμένει σταθερό». Αυτό σημαίνει ότι σε ένα κλειστό σύστημα, η εμφάνιση ή η εξαφάνιση χρεώσεων μόνο για ένα ζώδιο είναι αδύνατη.

Το αλγεβρικό άθροισμα των φορτίων σε ένα απομονωμένο σύστημα διατηρείται σταθερό. Οι φορείς φορτίου μπορούν να μετακινηθούν από το ένα σώμα στο άλλο ή να κινηθούν μέσα σε ένα σώμα, σε ένα μόριο, άτομο. Η χρέωση είναι ανεξάρτητη από το πλαίσιο αναφοράς.

Σήμερα, η επιστημονική άποψη είναι ότι αρχικά οι φορείς φορτίου ήταν στοιχειώδη σωματίδια.Τα στοιχειώδη σωματίδια νετρόνια (ηλεκτρικά ουδέτερα), πρωτόνια (θετικά φορτισμένα) και ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτισμένα) συνθέτουν τα άτομα.

Οι πυρήνες των ατόμων αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια και τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν τα κελύφη των ατόμων. Τα μόρια των φορτίων ενός ηλεκτρονίου και ενός πρωτονίου είναι ίσα σε μέγεθος με το στοιχειώδες φορτίο e, αλλά στο πρόσημο τα φορτία αυτών των σωματιδίων είναι αντίθετα μεταξύ τους.

Αλληλεπίδραση ηλεκτρικών φορτίων — Νόμος του Coulomb

Όσον αφορά την άμεση αλληλεπίδραση των ηλεκτρικών φορτίων μεταξύ τους, τότε το 1785 ο Γάλλος φυσικός Charles Coulomb καθιέρωσε και περιέγραψε πειραματικά αυτόν τον βασικό νόμο της ηλεκτροστατικής, τον βασικό νόμο της φύσης, ο οποίος δεν προκύπτει από άλλους νόμους. Στο έργο του, ο επιστήμονας μελετά την αλληλεπίδραση ακίνητων σωμάτων με σημειακή φόρτιση και μετρά τις δυνάμεις της αμοιβαίας απώθησης και έλξης τους.

Ο Coulomb διαπίστωσε πειραματικά τα ακόλουθα: «Οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης των σταθερών φορτίων είναι ευθέως ανάλογες με το γινόμενο των μονάδων και αντιστρόφως ανάλογες με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους».

Αυτή είναι η διατύπωση του νόμου του Coulomb. Και παρόλο που τα σημειακά φορτία δεν υπάρχουν στη φύση, μόνο ως προς τα σημειακά φορτία μπορούμε να μιλήσουμε για την μεταξύ τους απόσταση, μέσα σε αυτή τη διατύπωση του νόμου του Coulomb.

Στην πραγματικότητα, εάν οι αποστάσεις μεταξύ των σωμάτων υπερβαίνουν σημαντικά τα μεγέθη τους, τότε ούτε το μέγεθος ούτε το σχήμα των φορτισμένων σωμάτων θα επηρεάσουν ιδιαίτερα την αλληλεπίδρασή τους, πράγμα που σημαίνει ότι τα σώματα για αυτό το πρόβλημα μπορούν να θεωρηθούν ως σημειακά.

Ας δούμε ένα παράδειγμα. Ας κρεμάσουμε μερικές φορτισμένες μπάλες σε κορδόνια.Επειδή φορτίζονται με κάποιο τρόπο, είτε θα απωθήσουν είτε θα προσελκύσουν. Δεδομένου ότι οι δυνάμεις κατευθύνονται κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής που συνδέει αυτά τα σώματα, αυτές είναι κεντρικές δυνάμεις.

Για να δηλώσουμε τις δυνάμεις που ασκούνται σε καθένα από τα φορτία από το άλλο, θα γράψουμε: F12 είναι η δύναμη του δεύτερου φορτίου στο πρώτο, F21 είναι η δύναμη του πρώτου φορτίου στο δεύτερο, r12 είναι το διάνυσμα ακτίνας από το δεύτερο σημείο χρέωσης στο πρώτο. Εάν τα φορτία έχουν το ίδιο πρόσημο, τότε η δύναμη F12 θα κατευθυνθεί από κοινού στο διάνυσμα της ακτίνας, αλλά εάν τα φορτία έχουν διαφορετικά πρόσημα, τότε η δύναμη F12 θα κατευθυνθεί ενάντια στο διάνυσμα ακτίνας.

Χρησιμοποιώντας τον νόμο της αλληλεπίδρασης σημειακών φορτίων (Νόμος του Coulomb), η δύναμη αλληλεπίδρασης μπορεί τώρα να βρεθεί για οποιαδήποτε σημειακά φορτία ή σημειακά σώματα φορτίων. Εάν τα σώματα δεν έχουν σχήμα σημείου, χωρίζονται διανοητικά σε παστέλ στοιχεία, καθένα από τα οποία μπορεί να ληφθεί ως σημειακή φόρτιση.

Αφού βρεθούν οι δυνάμεις που δρουν μεταξύ όλων των μικρών στοιχείων, αυτές οι δυνάμεις αθροίζονται γεωμετρικά — βρίσκουν τη δύναμη που προκύπτει. Τα στοιχειώδη σωματίδια επίσης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σύμφωνα με το νόμο του Coulomb και μέχρι σήμερα δεν έχουν παρατηρηθεί παραβιάσεις αυτού του θεμελιώδους νόμου της ηλεκτροστατικής.

Εφαρμογή του νόμου του Coulomb στην ηλεκτρική μηχανική

Δεν υπάρχει τομέας στη σύγχρονη ηλεκτρική μηχανική όπου ο νόμος του Coulomb να μην λειτουργεί με τη μια ή την άλλη μορφή. Ξεκινώντας με ηλεκτρικό ρεύμα, τελειώνοντας με έναν απλά φορτισμένο πυκνωτή. Ειδικά εκείνοι οι τομείς που ασχολούνται με την ηλεκτροστατική — σχετίζονται 100% με τον νόμο του Coulomb. Ας δούμε μόνο μερικά παραδείγματα.

Η απλούστερη περίπτωση είναι η εισαγωγή ενός διηλεκτρικού.Η δύναμη αλληλεπίδρασης των φορτίων στο κενό είναι πάντα μεγαλύτερη από τη δύναμη αλληλεπίδρασης των ίδιων φορτίων υπό συνθήκες που τοποθετείται κάποιο είδος διηλεκτρικού μεταξύ τους.

Η διηλεκτρική σταθερά ενός μέσου είναι ακριβώς αυτή η τιμή που σας επιτρέπει να προσδιορίσετε ποσοτικά τις τιμές των δυνάμεων, ανεξάρτητα από την απόσταση μεταξύ των φορτίων και των μεγεθών τους. Αρκεί να διαιρέσουμε τη δύναμη αλληλεπίδρασης των φορτίων σε ένα κενό με τη διηλεκτρική σταθερά του εισαγόμενου διηλεκτρικού - παίρνουμε τη δύναμη αλληλεπίδρασης παρουσία ενός διηλεκτρικού.

Εξελιγμένος ερευνητικός εξοπλισμός — ένας επιταχυντής σωματιδίων. Η λειτουργία των επιταχυντών φορτισμένων σωματιδίων βασίζεται στο φαινόμενο της αλληλεπίδρασης ηλεκτρικού πεδίου και φορτισμένων σωματιδίων. Το ηλεκτρικό πεδίο όντως λειτουργεί στον επιταχυντή, αυξάνοντας την ενέργεια του σωματιδίου.

Αν θεωρήσουμε εδώ το επιταχυνόμενο σωματίδιο ως σημειακό φορτίο και τη δράση του επιταχυνόμενου ηλεκτρικού πεδίου του επιταχυντή ως τη συνολική δύναμη από άλλα σημειακά φορτία, τότε σε αυτή την περίπτωση ο νόμος του Κουλόμπ τηρείται πλήρως.Το μαγνητικό πεδίο κατευθύνει το σωματίδιο μόνο μέσω η δύναμη Lorentz, αλλά δεν αλλάζει την ενέργειά της, αλλά μόνο ορίζει την τροχιά για την κίνηση των σωματιδίων στον επιταχυντή.

Προστατευτικές ηλεκτρικές κατασκευές. Οι σημαντικές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις είναι πάντα εξοπλισμένες με κάτι τόσο απλό με την πρώτη ματιά, όπως ένα αλεξικέραυνο. Και το αλεξικέραυνο στο έργο του επίσης δεν περνά χωρίς να τηρηθεί ο νόμος του Coulomb. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, εμφανίζονται μεγάλα φορτία που προκαλούνται στη Γη - σύμφωνα με το νόμο του Coulomb, έλκονται προς την κατεύθυνση του νέφους της καταιγίδας. Το αποτέλεσμα είναι ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια της γης.

Η ένταση αυτού του πεδίου είναι ιδιαίτερα υψηλή κοντά σε αιχμηρούς αγωγούς, και ως εκ τούτου μια στεφανιαία εκκένωση αναφλέγεται στο μυτερό άκρο του αλεξικέραυνου - το φορτίο από τη Γη τείνει, υπακούοντας στο νόμο του Coulomb, να έλκεται από το αντίθετο φορτίο του κεραυνού. σύννεφο.

Ο αέρας κοντά στο αλεξικέραυνο είναι πολύ ιονισμένος ως αποτέλεσμα της εκκένωσης κορώνας. Ως αποτέλεσμα, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην άκρη μειώνεται (καθώς και μέσα σε οποιοδήποτε καλώδιο), τα επαγόμενα φορτία δεν μπορούν να συσσωρευτούν στο κτίριο και η πιθανότητα κεραυνού μειώνεται. Εάν συμβεί κεραυνός να χτυπήσει το αλεξικέραυνο, τότε η φόρτιση θα πάει απλώς στη Γη και δεν θα βλάψει την εγκατάσταση.