Coulomb-törvény, definíció és képlet – elektromos ponttöltések és kölcsönhatásuk

A töltött testek között kölcsönhatási erő lép fel, melynek köszönhetően vonzzák vagy taszítják egymást. A Coulomb-törvény leírja ezt az erőt, megmutatja hatásának mértékét, magának a testnek a méretétől és alakjától függően. Ezt a fizikai törvényt ebben a cikkben tárgyaljuk.

Coulomb-törvény képlete.

Tartalom

1 Helyhez kötött ponttöltések
2 Charles Coulomb torziós mérlege
3 k arányossági tényező és elektromos állandó
4 A Coulomb-erő iránya és a képlet vektoralakja
5 Ahol a gyakorlatban alkalmazzák a Coulomb-törvényt
6 Az erők iránya a Coulomb-törvényben
7 A törvény felfedezésének története

Helyhez kötött ponttöltések

A Coulomb-törvény azokra az álló testekre vonatkozik, amelyek sokkal kisebbek, mint a többi objektumtól való távolságuk. Az ilyen testeken egy pontszerű elektromos töltés koncentrálódik. A fizikai feladatok megoldásánál figyelmen kívül hagyjuk a figyelembe vett testek méreteit, mert nem igazán számítanak.

A gyakorlatban a nyugalmi ponttöltéseket a következőképpen ábrázolják:

Pont pozitív töltésű töltés q1. Pont pozitív töltésű töltés q2.

Ebben az esetben q₁ és q₂ - ez pozitív elektromos töltések, és a Coulomb-erő hat rájuk (az ábrán nem látható). A pontjellemzők mérete nem számít.

Jegyzet! A nyugalmi töltések egymástól adott távolságra helyezkednek el, amit problémáknál általában r betűvel jelölnek. A cikk további részében ezeket a díjakat légüres térben fogjuk figyelembe venni.

Charles Coulomb torziós mérlege

Ez az eszköz, amelyet Coulomb 1777-ben fejlesztett ki, segített levezetni a később róla elnevezett erő függőségét. Segítségével a ponttöltések, valamint a mágneses pólusok kölcsönhatását tanulmányozzák.

A torziós mérlegnek egy függőleges síkban elhelyezkedő kis selyemszála van, amelyről egy kiegyensúlyozott kar lóg. A ponttöltések a kar végein találhatók.

A külső erők hatására a kar vízszintesen mozog. A kar addig mozog a síkban, amíg a menet rugalmas ereje ki nem egyensúlyozza.

A mozgás során a kar egy bizonyos szögben eltér a függőleges tengelytől. Ezt d-nek vesszük, és elfordulási szögnek nevezzük. E paraméter értékének ismeretében meg lehet találni a fellépő erők nyomatékát.

Olvassa el még: Mi az elektromos áram egyszerű szavakkal

Charles Coulomb torziós egyensúlya így néz ki:

Charles Coulomb torziós mérlege.

k arányossági tényező és elektromos állandó $\varepsilon_0$

A Coulomb-törvény képletében vannak k paraméterek - az arányossági együttható ill $\varepsilon_0$ az elektromos állandó. Elektromos állandó $\varepsilon_0$ számos segédkönyvben, tankönyvben, az interneten szerepel, és nem kell számolni! Vákuum arányossági tényező alapján $\varepsilon_0$ a jól ismert képlettel találhatjuk meg:

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

Itt $\varepsilon_0=8,85\cdot 10^{-12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ az elektromos állandó,

$\pi=3,14$ -Pi,

$k=9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ az arányossági együttható vákuumban.

További információ! A fent bemutatott paraméterek ismerete nélkül nem fog működni a két pont elektromos töltés közötti kölcsönhatási erő megtalálása.
A Coulomb-törvény megfogalmazása és képlete

A fentiek összefoglalásához szükséges megadni az elektrosztatika fő törvényének hivatalos megfogalmazását. A következő formát ölti:

Két vákuumban nyugvó ponttöltés kölcsönhatási ereje egyenesen arányos e töltések szorzatával és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével. Ráadásul a díjak szorzatát modulo kell venni!

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

Ebben a képletben q₁ és q₂ponttöltések, testnek minősülnek; r² - e testek közötti távolság a síkon a négyzetben; k az arányossági együttható ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ vákuumhoz).

A Coulomb-erő iránya és a képlet vektoralakja

A képlet teljes megértéséhez a Coulomb-törvény vizualizálható:

A Coulomb-erő iránya két azonos polaritású ponttöltésre.

F_1,2- az első töltés kölcsönhatási ereje a másodikhoz képest.

F_2,1- a második töltés kölcsönhatási ereje az elsőhöz viszonyítva.

Ezenkívül az elektrosztatikai problémák megoldása során figyelembe kell venni egy fontos szabályt: az azonos nevű elektromos töltések taszítják, és az ellentétes töltések vonzzák. Ettől függ a kölcsönhatási erők elhelyezkedése az ábrán.

Ha ellentétes töltéseket vesszük figyelembe, akkor kölcsönhatásuk erői egymás felé irányulnak, ábrázolva vonzásukat.

A Coulomb-erő iránya két különböző polaritású ponttöltésre.

Az elektrosztatika alaptörvényének képlete vektoros formában a következőképpen ábrázolható:

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

$\vec F_1_2$ a q1 ponttöltésre ható erő a q2 töltés oldaláról,

$\vec r_1_2$ a sugárvektor, amely összeköti a q2 töltést a q1 töltéssel,

Olvassa el még: Hogyan készítsünk elektronikus nyomtatott áramköri lapot otthon?

$r=|\vec r_1_2|$

Fontos! A képlet vektoros formában történő felírása után a kétpontos elektromos töltések kölcsönható erőit a tengelyre kell vetíteni a jelek helyes elhelyezéséhez. Ez a művelet formalitás, és gyakran mentálisan, hangjegyek nélkül hajtják végre.

Ahol a gyakorlatban alkalmazzák a Coulomb-törvényt

Az elektrosztatika alaptörvénye Charles Coulomb legfontosabb felfedezése, amely számos területen megtalálta az alkalmazását.

A híres fizikus munkáit különféle eszközök, készülékek, készülékek feltalálása során használták fel. Például egy villámhárító.

Villámhárító segítségével védik a lakóépületeket, épületeket a villámlástól zivatar idején. Így az elektromos berendezések védettségi foka megnövekszik.

A villámhárító a következő elv szerint működik: zivatar idején a talajon fokozatosan erős indukciós töltések kezdenek felhalmozódni, amelyek felemelkednek és a felhőkhöz vonzódnak. Ebben az esetben meglehetősen nagy elektromos mező képződik a talajon. A villámhárító közelében megerősödik az elektromos tér, aminek következtében a készülék csúcsából korona elektromos töltés gyullad ki.

Továbbá a talajon kialakult töltés elkezd vonzódni a felhő töltéséhez ellenkező előjellel, ahogyan Charles Coulomb törvénye szerint kellene. Ezt követően a levegő átmegy az ionizációs folyamaton, és az elektromos térerősség a villámhárító vége közelében csökken. Így minimális a villámlás veszélye az épületbe.

Jegyzet! Ha az épületet, amelyre a villámhárító fel van szerelve, megütik, akkor nem lesz tűz, és minden energia a földbe kerül.

A Coulomb-törvény alapján kifejlesztették a "Részecskegyorsító" nevű eszközt, amelyre ma nagy a kereslet.

Ebben az eszközben erős elektromos mező jön létre, ami növeli a beleeső részecskék energiáját.

Az erők iránya a Coulomb-törvényben

Mint fentebb említettük, a kétpontos elektromos töltések kölcsönható erőinek iránya a polaritásuktól függ. Azok. Az azonos nevű töltések taszítani fognak, az ellentétes töltések pedig vonzanak.

Olvassa el még: Hogyan készítsünk fémdetektort saját kezűleg, segítség kezdőknek

A Coulomb-erőket sugárvektornak is nevezhetjük, mert a közéjük húzott vonal mentén irányulnak.

Egyes fizikai feladatokban olyan összetett alakú testek adódnak, amelyek nem vehetők fel egy pontszerű elektromos töltésre, pl. figyelmen kívül hagyja a méretét. Ebben a helyzetben a vizsgált testet több kis részre kell osztani, és minden részt külön-külön kell kiszámítani, a Coulomb-törvény segítségével.

A hasítással kapott erővektorokat az algebra és a geometria szabályai szerint összegezzük. Az eredmény az eredő erő, amely erre a problémára ad választ. Ezt a megoldási módot gyakran háromszög módszernek is nevezik.

A Coulomb-erővektorok iránya.

A törvény felfedezésének története

Két ponttöltés kölcsönhatását a fenti törvény szerint először Charles Coulomb bizonyította 1785-ben. A megfogalmazott törvény valódiságát a fizikusnak torziós mérlegekkel sikerült igazolnia, amelyek működési elvét is bemutatta a cikk.

Coulomb azt is bebizonyította, hogy a gömbkondenzátorban nincs elektromos töltés. Így jutott arra a megállapításra, hogy az elektrosztatikus erők nagysága megváltoztatható a vizsgált testek közötti távolság változtatásával.

Így még mindig a Coulomb-törvény az elektrosztatika legfontosabb törvénye, amely alapján számos legnagyobb felfedezés született. A cikk keretein belül bemutatásra került a törvény hivatalos szövege, valamint részletesen ismertették annak alkotórészeit.

Hasonló cikkek: