Prawo Coulomba i jego zastosowanie w elektrotechnice

Tak jak w mechanice newtonowskiej oddziaływanie grawitacyjne zachodzi zawsze pomiędzy ciałami o masach, podobnie jak w elektrodynamice oddziaływanie elektryczne jest charakterystyczne dla ciał obdarzonych ładunkami elektrycznymi. Ładunek elektryczny jest oznaczony symbolem „q” lub „Q”.

Można nawet powiedzieć, że pojęcie ładunku elektrycznego q w elektrodynamice jest nieco podobne do pojęcia masy grawitacyjnej m w mechanice. Ale w przeciwieństwie do masy grawitacyjnej, ładunek elektryczny charakteryzuje właściwość ciał i cząstek wchodzących w interakcje elektromagnetyczne, a te interakcje, jak rozumiesz, nie są grawitacyjne.

Ładunki elektryczne

Ludzkie doświadczenie w badaniu zjawisk elektrycznych zawiera wiele wyników eksperymentalnych, a wszystkie te fakty pozwoliły fizykom dojść do następujących jednoznacznych wniosków dotyczących ładunków elektrycznych:

1. Ładunki elektryczne są dwojakiego rodzaju — warunkowo można je podzielić na dodatnie i ujemne.

2.Ładunki elektryczne mogą być przenoszone z jednego naładowanego obiektu na drugi: na przykład poprzez kontakt ciał ze sobą - ładunek między nimi można rozdzielić. W tym przypadku ładunek elektryczny wcale nie jest obowiązkowym składnikiem ciała: w różnych warunkach ten sam przedmiot może mieć ładunek o różnej wielkości i znaku lub może nie mieć ładunku. Zatem ładunek nie jest czymś tkwiącym w nośniku, a jednocześnie ładunek nie może istnieć bez nośnika.

3. Podczas gdy ciała grawitacyjne zawsze się przyciągają, ładunki elektryczne mogą zarówno się przyciągać, jak i odpychać. Takie same ładunki przyciągają się wzajemnie, takie same ładunki się odpychają.

Nośnikami ładunku są elektrony, protony i inne cząstki elementarne. Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych — dodatnie i ujemne. Ładunki dodatnie to te, które pojawiają się na szkle przetartym skórą. Ujemny - Ładunki występujące na bursztynie przetartym futrem. Władze, którym postawiono zarzuty o tej samej nazwie, odpierają. Obiekty o przeciwnych ładunkach przyciągają się.

Prawo zachowania ładunku elektrycznego jest podstawowym prawem natury, brzmi następująco: „suma algebraiczna ładunków wszystkich ciał w izolowanym układzie pozostaje stała”. Oznacza to, że w układzie zamkniętym niemożliwe jest pojawienie się lub zniknięcie ładunków tylko dla jednego znaku.

Algebraiczna suma ładunków w układzie izolowanym jest stała. Nośniki ładunku mogą przemieszczać się z jednego ciała do drugiego lub poruszać się wewnątrz ciała, w cząsteczce, atomie. Ładunek jest niezależny od układu odniesienia.

Obecnie naukowy pogląd jest taki, że pierwotnie nośniki ładunku były cząstkami elementarnymi.Cząstki elementarne neutrony (elektrycznie obojętne), protony (naładowane dodatnio) i elektrony (naładowane ujemnie) tworzą atomy.

Jądra atomów składają się z protonów i neutronów, a elektrony tworzą powłoki atomów. Moduły ładunków elektronu i protonu są co do wielkości równe elementarnemu ładunkowi e, ale w znaku ładunki tych cząstek są przeciwne.

Oddziaływanie ładunków elektrycznych — prawo Coulomba

Jeśli chodzi o bezpośrednie wzajemne oddziaływanie ładunków elektrycznych, to w 1785 roku francuski fizyk Charles Coulomb eksperymentalnie ustalił i opisał to podstawowe prawo elektrostatyki, podstawowe prawo natury, które nie wynika z żadnych innych praw. W swojej pracy naukowiec bada oddziaływanie nieruchomych ciał naładowanych punktowo i mierzy siły ich wzajemnego odpychania i przyciągania.

Coulomb eksperymentalnie ustalił, co następuje: „Siły oddziaływania ładunków stacjonarnych są wprost proporcjonalne do iloczynu modułów i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między nimi”.

To jest sformułowanie prawa Coulomba. I chociaż ładunki punktowe nie istnieją w naturze, tylko w kategoriach ładunków punktowych możemy mówić o odległości między nimi w ramach tego sformułowania prawa Coulomba.

W rzeczywistości, jeśli odległości między ciałami znacznie przekraczają ich rozmiary, to ani rozmiar, ani kształt naładowanych ciał nie będą miały szczególnego wpływu na ich interakcję, co oznacza, że ​​ciała dla tego problemu można uznać za punktowe.

Spójrzmy na przykład. Zawieśmy kilka naładowanych kulek na sznurkach.Ponieważ są w jakiś sposób naładowane, albo się odpychają, albo przyciągają. Ponieważ siły są skierowane wzdłuż linii prostej łączącej te ciała, są to siły centralne.

Aby oznaczyć siły działające na każdy z ładunków od drugiego, napiszemy: F12 jest siłą drugiego ładunku na pierwszym, F21 jest siłą pierwszego ładunku na drugim, r12 jest wektorem promienia z drugiego ładunek punktowy do pierwszego. Jeśli ładunki mają ten sam znak, to siła F12 będzie skierowana łącznie do wektora promienia, ale jeśli ładunki mają różne znaki, to siła F12 będzie skierowana przeciwnie do wektora promienia.

Korzystając z prawa interakcji ładunków punktowych (prawo Coulomba), można teraz znaleźć siłę oddziaływania dla dowolnego ładunku punktowego lub ładunku punktowego. Jeśli ciała nie mają kształtu punktowego, są mentalnie rozbijane na pastele elementów, z których każdy może być traktowany jako ładunek punktowy.

Po znalezieniu sił działających między wszystkimi małymi elementami siły te sumują się geometrycznie — znajdują siłę wypadkową. Cząstki elementarne również oddziałują ze sobą zgodnie z prawem Coulomba i jak dotąd nie zaobserwowano żadnego naruszenia tego podstawowego prawa elektrostatyki.

Zastosowanie prawa Coulomba w elektrotechnice

We współczesnej elektrotechnice nie ma dziedziny, w której prawo Coulomba nie działa w takiej czy innej formie. Zaczynając od prądu elektrycznego, kończąc na prosto naładowanym kondensatorze. Zwłaszcza te dziedziny, które zajmują się elektrostatyką — są w 100% związane z prawem Coulomba. Spójrzmy tylko na kilka przykładów.

Najprostszym przypadkiem jest wprowadzenie dielektryka.Siła oddziaływania ładunków w próżni jest zawsze większa niż siła oddziaływania tych samych ładunków w warunkach, gdy między nimi umieszczony jest jakiś rodzaj dielektryka.

Stała dielektryczna ośrodka jest właśnie tą wartością, która pozwala ilościowo określić wartości sił, niezależnie od odległości między ładunkami i ich wielkości. Wystarczy podzielić siłę oddziaływania ładunków w próżni przez stałą dielektryczną wprowadzonego dielektryka — otrzymamy siłę oddziaływania w obecności dielektryka.

Zaawansowany sprzęt badawczy — akcelerator cząstek. Działanie akceleratorów cząstek naładowanych opiera się na zjawisku oddziaływania pola elektrycznego i naładowanych cząstek. Pole elektryczne działa w akceleratorze, zwiększając energię cząstki.

Jeśli rozpatrzymy tutaj przyspieszaną cząstkę jako ładunek punktowy, a działanie przyspieszającego pola elektrycznego akceleratora jako całkowitą siłę z innych ładunków punktowych, to w tym przypadku w pełni przestrzegane jest prawo Coulomba.Pole magnetyczne kieruje cząstkę tylko przez siły Lorentza, ale nie zmienia jej energii, a jedynie wyznacza trajektorię ruchu cząstek w akceleratorze.

Ochronne konstrukcje elektryczne. Ważne instalacje elektryczne są zawsze wyposażone w coś tak prostego na pierwszy rzut oka jak piorunochron. A piorunochron w swojej pracy również nie przechodzi bez przestrzegania prawa Coulomba. Podczas burzy na Ziemi pojawiają się duże ładunki indukowane — zgodnie z prawem Coulomba są one przyciągane w kierunku chmury burzowej. Rezultatem jest silne pole elektryczne na powierzchni ziemi.

Intensywność tego pola jest szczególnie duża w pobliżu ostrych przewodników, dlatego wyładowanie koronowe jest zapalane na spiczastym końcu piorunochronu - ładunek z Ziemi ma tendencję, zgodnie z prawem Coulomba, do przyciągania przeciwnego ładunku pioruna. Chmura.

Powietrze w pobliżu piorunochronu jest silnie zjonizowane w wyniku wyładowania koronowego. W rezultacie zmniejsza się siła pola elektrycznego w pobliżu końcówki (podobnie jak wewnątrz każdego drutu), indukowane ładunki nie mogą gromadzić się na budynku, a prawdopodobieństwo wyładowania atmosferycznego jest zmniejszone. Jeśli zdarzy się, że piorun uderzy w piorunochron, ładunek po prostu trafi na Ziemię i nie uszkodzi instalacji.