Coulombův zákon, definice a vzorec - elektrické bodové náboje a jejich interakce

Mezi nabitými tělesy existuje interakční síla, díky které se mohou navzájem přitahovat nebo odpuzovat. Coulombův zákon tuto sílu popisuje, ukazuje míru jejího působení v závislosti na velikosti a tvaru samotného tělesa. Tento fyzikální zákon bude diskutován v tomto článku.

Vzorec Coulombova zákona.

Obsah

1 Stacionární bodové nálože
2 Torzní váha Charlese Coulomba
3 Faktor úměrnosti k a elektrická konstanta
4 Směr Coulombovy síly a vektorový tvar vzorce
5 Kde se v praxi uplatňuje Coulombův zákon
6 Směr sil v Coulombově zákoně
7 Historie objevu práva

Stacionární bodové nálože

Coulombův zákon platí pro stacionární tělesa, která jsou mnohem menší než jejich vzdálenost od jiných objektů. Na takových tělesech je soustředěn bodový elektrický náboj. Při řešení fyzikálních úloh se zanedbávají rozměry uvažovaných těles, protože na nich opravdu nezáleží.

V praxi jsou bodové náboje v klidu znázorněny následovně:

Bodový kladně nabitý náboj q1. Bodový kladně nabitý náboj q2.

V tomto případě q₁ a q₂ - tohle je pozitivní elektrické náboje a působí na ně Coulombova síla (na obrázku není znázorněna). Na velikosti bodových prvků nezáleží.

Poznámka! Náboje v klidu jsou umístěny v dané vzdálenosti od sebe, což se v problémech obvykle označuje písmenem r. Dále v článku budou tyto poplatky uvažovány ve vakuu.

Torzní váha Charlese Coulomba

Toto zařízení, vyvinuté Coulombem v roce 1777, pomohlo odvodit závislost síly později pojmenované po něm. S jeho pomocí se studuje interakce bodových nábojů a také magnetických pólů.

Torzní váha má malou hedvábnou nit umístěnou ve svislé rovině, ze které visí vyvážená páka. Bodové nálože jsou umístěny na koncích páky.

Působením vnějších sil se páka začne pohybovat vodorovně. Páka se bude pohybovat v rovině, dokud nebude vyvážena pružnou silou závitu.

V procesu pohybu se páka odchyluje od svislé osy o určitý úhel. Je brán jako d a nazývá se úhel natočení. Při znalosti hodnoty tohoto parametru je možné zjistit točivý moment vznikajících sil.

Přečtěte si také: Co je to jednoduchými slovy elektrický proud

Torzní rovnováha Charlese Coulomba vypadá takto:

Torzní váha Charlese Coulomba.

Faktor úměrnosti k a elektrická konstanta $\varepsilon_0$

Ve vzorci Coulombova zákona jsou parametry k - koeficient úměrnosti resp $\varepsilon_0$ je elektrická konstanta. Elektrická konstanta $\varepsilon_0$ uvedena v mnoha příručkách, učebnicích, internetu a není třeba to počítat! Faktor úměrnosti vakua na základě $\varepsilon_0$ lze nalézt podle známého vzorce:

$k = \frac {1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}$

Tady $\varepsilon_0=8,85\cdot 10^{-12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ je elektrická konstanta,

$\pi=3,14$ - pí,

$k=9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ je koeficient úměrnosti ve vakuu.

Dodatečné informace! Bez znalosti výše uvedených parametrů nebude fungovat nalezení síly interakce mezi dvěma bodovými elektrickými náboji.
Formulace a vzorec Coulombova zákona

Shrneme-li výše uvedené, je třeba uvést oficiální formulaci hlavního zákona elektrostatiky. Má podobu:

Síla vzájemného působení dvou bodových nábojů v klidu ve vakuu je přímo úměrná součinu těchto nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi. Navíc součin poplatků musí být brán modulo!

$F=k\cdot \frac {|q_1|\cdot |q_2|}{r^2}$

V tomto vzorci q₁ a q₂jsou bodové náboje, považovány za tělesa; r² - vzdálenost v rovině mezi těmito tělesy, měřená ve čtverci; k je koeficient proporcionality ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ pro vakuum).

Směr Coulombovy síly a vektorový tvar vzorce

Pro úplné pochopení vzorce lze Coulombův zákon vizualizovat:

Směr Coulombovy síly pro dva bodové náboje stejné polarity.

F_1,2- síla interakce prvního náboje vzhledem k druhému.

F_2,1- síla interakce druhého náboje ve vztahu k prvnímu.

Při řešení problémů elektrostatiky je také nutné vzít v úvahu důležité pravidlo: elektrické náboje stejného jména se odpuzují a opačné náboje se přitahují. Na tom závisí umístění interakčních sil na obrázku.

Pokud jsou uvažovány opačné náboje, pak síly jejich interakce budou nasměrovány k sobě navzájem, což bude zobrazovat jejich přitažlivost.

Směr Coulombovy síly pro dva bodové náboje různé polarity.

Vzorec základního zákona elektrostatiky ve vektorové podobě lze znázornit takto:

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

$\vec F_1_2$ je síla působící na bodový náboj q1 ze strany náboje q2,

$\vec r_1_2$ je vektor poloměru spojující náboj q2 s nábojem q1,

Přečtěte si také: Jak vyrobit elektronický plošný spoj doma?

$r=|\vec r_1_2|$

Důležité! Po napsání vzorce ve vektorové podobě bude nutné promítnout na osu interagující síly dvou bodových elektrických nábojů, aby se znaménka správně umístila. Tato akce je formalita a často se provádí mentálně bez jakýchkoli poznámek.

Kde se v praxi uplatňuje Coulombův zákon

Základní zákon elektrostatiky je nejvýznamnějším objevem Charlese Coulomba, který našel své uplatnění v mnoha oblastech.

Díla slavného fyzika byla použita v procesu vymýšlení různých zařízení, zařízení, přístrojů. Například hromosvod.

Pomocí hromosvodu jsou obytné budovy a budovy chráněny před bleskem během bouřky. Tím se zvyšuje stupeň ochrany elektrických zařízení.

Bleskosvod funguje na následujícím principu: při bouřce se na zemi začnou postupně hromadit silné indukční náboje, které stoupají vzhůru a jsou přitahovány k oblakům. V tomto případě se na zemi vytvoří poměrně velké elektrické pole. V blízkosti hromosvodu zesílí elektrické pole, díky čemuž se od hrotu zařízení zapálí korónový elektrický náboj.

Dále se náboj vzniklý na zemi začíná přitahovat k náboji mraku s opačným znaménkem, než by tomu mělo být podle zákona Charlese Coulomba. Poté vzduch prochází procesem ionizace a intenzita elektrického pole se u konce hromosvodu snižuje. Riziko vniknutí blesku do budovy je tak minimální.

Poznámka! Pokud je zasažena budova, na které je instalován hromosvod, nedojde k požáru a veškerá energie půjde do země.

Na základě Coulombova zákona bylo vyvinuto zařízení zvané „Urychlovač částic“, které je dnes velmi žádané.

V tomto zařízení vzniká silné elektrické pole, které zvyšuje energii částic do něj padajících.

Směr sil v Coulombově zákoně

Jak bylo uvedeno výše, směr interakčních sil dvou bodových elektrických nábojů závisí na jejich polaritě. Tito. Náboje stejného jména se budou odpuzovat a náboje opačných nábojů se budou přitahovat.

Přečtěte si také: Jak vyrobit detektor kovů vlastníma rukama, pomoc pro začátečníky

Coulombovy síly mohou být také nazývány vektorem poloměru, protože jsou vedeny podél čáry nakreslené mezi nimi.

V některých fyzikálních úlohách jsou dána tělesa složitého tvaru, která nelze brát za bodový elektrický náboj, tzn. ignorovat jeho velikost. V této situaci musí být uvažované těleso rozděleno na několik malých částí a každá část musí být vypočtena samostatně pomocí Coulombova zákona.

Silové vektory získané dělením jsou shrnuty podle pravidel algebry a geometrie. Výsledkem je výsledná síla, která bude odpovědí na tento problém. Tento způsob řešení se často nazývá trojúhelníková metoda.

Směr vektorů Coulombových sil.

Historie objevu práva

Vzájemné působení dvou bodových nábojů podle výše uvedeného zákona poprvé dokázal v roce 1785 Charles Coulomb. Fyzikovi se podařilo prokázat pravdivost formulovaného zákona pomocí torzních vah, jejichž princip fungování byl v článku rovněž představen.

Coulomb také dokázal, že uvnitř kulového kondenzátoru není žádný elektrický náboj. Dospěl tedy k tvrzení, že velikost elektrostatických sil lze měnit změnou vzdálenosti mezi uvažovanými tělesy.

Coulombův zákon je tedy stále nejdůležitějším zákonem elektrostatiky, na jehož základě bylo učiněno mnoho největších objevů. V rámci tohoto článku bylo představeno oficiální znění zákona a podrobně popsány jeho součásti.

Podobné články: