Undang-undang Coulomb dan aplikasinya dalam kejuruteraan elektrik

Sama seperti dalam mekanik Newtonian, interaksi graviti sentiasa berlaku antara jasad dengan jisim, sama seperti elektrodinamik, interaksi elektrik adalah ciri jasad dengan cas elektrik. Caj elektrik dilambangkan dengan simbol «q» atau «Q».

Kita juga boleh mengatakan bahawa konsep cas elektrik q dalam elektrodinamik agak serupa dengan konsep jisim graviti m dalam mekanik. Tetapi tidak seperti jisim graviti, cas elektrik mencirikan sifat badan dan zarah untuk memasuki interaksi elektromagnet, dan interaksi ini, seperti yang anda faham, bukan graviti.

Caj elektrik

Pengalaman manusia dalam kajian fenomena elektrik mengandungi banyak keputusan eksperimen, dan semua fakta ini membolehkan ahli fizik mencapai kesimpulan yang jelas berikut tentang cas elektrik:

1. Caj elektrik ada dua jenis — bersyarat ia boleh dibahagikan kepada positif dan negatif.

2.Caj elektrik boleh dipindahkan dari satu objek bercas ke objek lain: contohnya, dengan menghubungi badan antara satu sama lain - caj di antara mereka boleh dipisahkan. Dalam kes ini, cas elektrik bukanlah komponen wajib badan sama sekali: dalam keadaan yang berbeza, objek yang sama mungkin mempunyai cas yang berbeza magnitud dan tanda, atau ia mungkin tidak mempunyai cas. Oleh itu caj bukanlah sesuatu yang wujud dalam pembawa, dan pada masa yang sama caj tidak boleh wujud tanpa pembawa.

3. Walaupun jasad graviti sentiasa menarik antara satu sama lain, cas elektrik boleh menarik antara satu sama lain dan menolak antara satu sama lain. Seperti caj saling menarik, seperti caj menolak.

Pembawa cas ialah elektron, proton dan zarah asas lain. Terdapat dua jenis cas elektrik—positif dan negatif. Caj positif adalah yang tertera pada kaca yang disapu dengan kulit. Negatif - Caj berlaku pada ambar yang disapu bulu. Pihak berkuasa yang didakwa dengan tuduhan dengan nama yang sama menolak balik. Objek dengan cas bertentangan menarik antara satu sama lain.

Undang-undang pemuliharaan cas elektrik adalah undang-undang asas alam, ia berbunyi seperti ini: "jumlah algebra bagi semua badan dalam sistem terpencil kekal malar". Ini bermakna dalam sistem tertutup, kemunculan atau kehilangan caj hanya untuk satu tanda adalah mustahil.

Jumlah algebra bagi cas dalam sistem terpencil dikekalkan malar. Pembawa cas boleh bergerak dari satu jasad ke jasad lain atau bergerak di dalam badan, dalam molekul, atom. Caj adalah bebas daripada kerangka rujukan.

Hari ini, pandangan saintifik adalah bahawa pada asalnya pembawa cas adalah zarah asas.Zarah asas neutron (netral secara elektrik), proton (bercas positif) dan elektron (bercas negatif) membentuk atom.

Nukleus atom terdiri daripada proton dan neutron, dan elektron membentuk kulit atom. Moduli cas elektron dan proton adalah sama dalam magnitud dengan cas asas e, tetapi dalam tanda cas zarah ini bertentangan antara satu sama lain.

Interaksi Caj Elektrik — Hukum Coulomb

Bagi interaksi langsung cas elektrik antara satu sama lain, maka pada tahun 1785 ahli fizik Perancis Charles Coulomb secara eksperimen telah menubuhkan dan menerangkan undang-undang asas elektrostatik ini, undang-undang asas alam, yang tidak mengikut mana-mana undang-undang lain. Dalam karyanya, saintis mengkaji interaksi badan bercas titik pegun dan mengukur daya tolakan dan tarikan bersama mereka.

Coulomb secara eksperimen mewujudkan perkara berikut: «Daya interaksi cas pegun adalah berkadar terus dengan hasil darab modul dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara mereka.»

Ini adalah rumusan hukum Coulomb. Dan walaupun caj mata tidak wujud dalam alam semula jadi, hanya dari segi caj mata kita boleh bercakap tentang jarak antara mereka, dalam rumusan undang-undang Coulomb ini.

Malah, jika jarak antara badan dengan ketara melebihi saiz mereka, maka saiz mahupun bentuk badan bercas tidak akan menjejaskan interaksi mereka, yang bermaksud bahawa badan untuk masalah ini boleh dianggap seperti titik.

Mari kita lihat satu contoh. Mari kita gantung beberapa bola bercas pada tali.Kerana mereka dicaj dalam beberapa cara, mereka sama ada akan menolak atau menarik. Oleh kerana daya diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan badan-badan ini, ini adalah daya pusat.

Untuk menyatakan daya yang bertindak pada setiap cas daripada yang lain, kita akan menulis: F12 ialah daya cas kedua pada yang pertama, F21 ialah daya cas pertama pada yang kedua, r12 ialah vektor jejari dari yang kedua caj mata kepada yang pertama. Jika cas-cas mempunyai tanda yang sama, maka daya F12 akan bersama-sama diarahkan ke vektor jejari, tetapi jika cas-cas mempunyai tanda yang berbeza, maka daya F12 akan diarahkan terhadap vektor jejari.

Menggunakan undang-undang interaksi cas titik (Hukum Coulomb), daya interaksi kini boleh didapati untuk sebarang caj titik atau badan cas titik. Jika badan tidak berbentuk titik, ia secara mental dipecahkan kepada unsur-unsur pastel, setiap satunya boleh diambil sebagai caj mata.

Selepas mencari daya yang bertindak antara semua unsur kecil, daya ini menjumlahkan secara geometri-mereka mencari daya paduan. Zarah asas juga berinteraksi antara satu sama lain mengikut undang-undang Coulomb, dan sehingga kini tiada pelanggaran undang-undang asas elektrostatik ini telah diperhatikan.

Penggunaan undang-undang Coulomb dalam kejuruteraan elektrik

Tiada bidang dalam kejuruteraan elektrik moden di mana undang-undang Coulomb tidak beroperasi dalam satu bentuk atau yang lain. Bermula dengan arus elektrik, berakhir dengan kapasitor yang dicas secara ringkas. Terutamanya kawasan yang berkaitan dengan elektrostatik — ia 100% berkaitan dengan undang-undang Coulomb. Mari kita lihat beberapa contoh sahaja.

Kes paling mudah ialah pengenalan dielektrik.Daya interaksi cas dalam vakum sentiasa lebih besar daripada daya interaksi cas yang sama dalam keadaan apabila beberapa jenis dielektrik diletakkan di antara mereka.

Pemalar dielektrik medium adalah tepat nilai yang membolehkan anda menentukan secara kuantitatif nilai daya, tanpa mengira jarak antara cas dan magnitudnya. Ia cukup untuk membahagikan daya interaksi cas dalam vakum dengan pemalar dielektrik dielektrik yang diperkenalkan - kita mendapat daya interaksi dengan kehadiran dielektrik.

Peralatan penyelidikan yang canggih — pemecut zarah. Operasi pemecut zarah bercas adalah berdasarkan fenomena interaksi medan elektrik dan zarah bercas. Medan elektrik berfungsi dalam pemecut, meningkatkan tenaga zarah.

Jika kita menganggap di sini zarah dipercepatkan sebagai cas titik, dan tindakan medan elektrik pecutan pemecut sebagai jumlah daya dari cas titik lain, maka dalam kes ini hukum Coulomb diperhatikan sepenuhnya. Medan magnet mengarahkan zarah hanya melalui daya Lorentz, tetapi tidak mengubah tenaganya, tetapi hanya menetapkan trajektori untuk pergerakan zarah dalam pemecut.

Struktur elektrik pelindung. Pemasangan elektrik yang penting sentiasa dilengkapi dengan sesuatu yang mudah pada pandangan pertama seperti penangkal petir. Dan rod kilat dalam kerjanya juga tidak lulus tanpa mematuhi hukum Coulomb. Semasa ribut petir, caj teraruh besar muncul di Bumi — mengikut undang-undang Coulomb, ia tertarik ke arah awan ribut petir. Hasilnya ialah medan elektrik yang kuat di permukaan bumi.

Keamatan medan ini sangat tinggi berhampiran konduktor tajam, dan oleh itu pelepasan koronal dinyalakan pada hujung runcing batang petir — cas dari Bumi cenderung, mematuhi undang-undang Coulomb, tertarik oleh cas bertentangan petir. awan.

Udara berhampiran batang petir sangat terion akibat pelepasan korona. Akibatnya, kekuatan medan elektrik berhampiran hujung berkurangan (serta di dalam mana-mana wayar), caj teraruh tidak dapat terkumpul pada bangunan, dan kebarangkalian kilat berkurangan. Jika kilat menyambar batang petir, maka cas hanya akan pergi ke Bumi dan tidak akan merosakkan pemasangan.