Coulombs lag och dess tillämpning inom elektroteknik

Precis som i Newtons mekanik sker alltid gravitationsinteraktion mellan kroppar med massor, på samma sätt som elektrodynamik är elektrisk interaktion karakteristisk för kroppar med elektriska laddningar. Elektrisk laddning betecknas med symbolen «q» eller «Q».

Vi kan till och med säga att begreppet elektrisk laddning q inom elektrodynamik liknar begreppet gravitationsmassa m i mekaniken. Men till skillnad från gravitationsmassan kännetecknar elektrisk laddning egenskapen hos kroppar och partiklar att ingå i elektromagnetiska interaktioner, och dessa interaktioner är, som du förstår, inte gravitationella.

Elektriska laddningar

Mänsklig erfarenhet av studier av elektriska fenomen innehåller många experimentella resultat, och alla dessa fakta gjorde det möjligt för fysiker att nå följande otvetydiga slutsatser om elektriska laddningar:

1. Elektriska laddningar är av två typer — villkorligt kan de delas in i positiva och negativa.

2.Elektriska laddningar kan överföras från ett laddat föremål till ett annat: till exempel genom att kontakta kroppar med varandra - laddningen mellan dem kan separeras. I det här fallet är den elektriska laddningen inte alls en obligatorisk komponent i kroppen: under olika förhållanden kan samma föremål ha en laddning av olika storlek och tecken, eller så kan det inte ha någon laddning. Laddningen är alltså inte något som är inneboende i bäraren, och samtidigt kan laddningen inte existera utan bäraren.

3. Medan graviterande kroppar alltid attraherar varandra kan elektriska laddningar både attrahera varandra och stöta bort varandra. Liknande laddningar attraherar varandra, lika laddningar stöter bort.

Laddningsbärare är elektroner, protoner och andra elementarpartiklar. Det finns två typer av elektriska laddningar - positiva och negativa. De positiva laddningarna är de som visas på glaset gnuggat med läder. Negativ - Laddningar som uppstår på pälsgnidad bärnsten. Myndigheterna som åtalats för anklagelserna med samma namn trycker tillbaka. Objekt med motsatta laddningar attraherar varandra.

Lagen om bevarande av elektrisk laddning är en grundläggande naturlag, den lyder så här: "den algebraiska summan av laddningar för alla kroppar i ett isolerat system förblir konstant". Detta innebär att i ett slutet system är det omöjligt att uppträda eller försvinna avgifter för endast ett tecken.

Den algebraiska summan av laddningar i ett isolerat system hålls konstant. Laddningsbärare kan röra sig från en kropp till en annan eller röra sig inuti en kropp, i en molekyl, atom. Avgiften är oberoende av referensramen.

Idag är den vetenskapliga uppfattningen att laddningsbärare ursprungligen var elementarpartiklar.Elementarpartiklar neutroner (elektriskt neutrala), protoner (positivt laddade) och elektroner (negativt laddade) utgör atomer.

Atomernas kärnor är uppbyggda av protoner och neutroner, och elektroner bildar skal av atomer. Modulerna för laddningarna för en elektron och en proton är lika stora som den elementära laddningen e, men i tecken är laddningarna för dessa partiklar motsatta varandra.

Interaktion mellan elektriska laddningar — Coulombs lag

När det gäller den direkta interaktionen av elektriska laddningar med varandra, 1785 etablerade och beskrev den franske fysikern Charles Coulomb experimentellt denna grundläggande lag för elektrostatik, den grundläggande naturlagen, som inte följer av några andra lagar. I sitt arbete studerar forskaren interaktionen mellan stationära punktladdade kroppar och mäter krafterna för deras ömsesidiga avstötning och attraktion.

Coulomb etablerade experimentellt följande: "Krafterna för interaktion mellan stationära laddningar är direkt proportionella mot produkten av modulerna och omvänt proportionella mot kvadraten på avståndet mellan dem."

Detta är formuleringen av Coulombs lag. Och även om punktladdningar inte existerar i naturen, kan vi bara i termer av punktladdningar tala om avståndet mellan dem, inom denna formulering av Coulombs lag.

Faktum är att om avstånden mellan kropparna avsevärt överstiger deras storlekar, så kommer varken storleken eller formen på de laddade kropparna särskilt att påverka deras interaktion, vilket gör att kropparna för detta problem rättvist kan anses vara punktlika.

Låt oss titta på ett exempel. Låt oss hänga några laddade bollar på snören.Eftersom de är laddade på något sätt kommer de antingen att stöta bort eller attrahera. Eftersom krafterna är riktade längs en rät linje som förbinder dessa kroppar, är dessa centrala krafter.

För att beteckna krafterna som verkar på var och en av laddningarna från den andra skriver vi: F12 är kraften från den andra laddningen på den första, F21 är kraften från den första laddningen på den andra, r12 är radievektorn från den andra punkt laddning till den första. Om laddningarna har samma tecken så kommer kraften F12 att riktas gemensamt mot radievektorn, men om laddningarna har olika tecken kommer kraften F12 att riktas mot radievektorn.

Genom att använda lagen om interaktion mellan punktladdningar (Coulombs lag), kan interaktionskraften nu hittas för alla punktladdningar eller punktladdningskroppar. Om kropparna inte är punktformade bryts de mentalt upp i pasteller av element, som var och en kan tas som en punktladdning.

Efter att ha hittat krafterna som verkar mellan alla små element, adderas dessa krafter geometriskt - de hittar den resulterande kraften. Elementarpartiklar interagerar också med varandra enligt Coulombs lag, och hittills har inga brott mot denna grundläggande elektrostatiska lag observerats.

Tillämpning av Coulombs lag inom elektroteknik

Det finns inget område inom modern elektroteknik där Coulombs lag inte fungerar i en eller annan form. Börjar med en elektrisk ström, slutar med en enkelt laddad kondensator. Speciellt de områden som handlar om elektrostatik — de är 100% relaterade till Coulombs lag. Låt oss bara titta på några få exempel.

Det enklaste fallet är införandet av ett dielektrikum.Kraften för växelverkan mellan laddningar i ett vakuum är alltid större än växelverkanskraften för samma laddningar under förhållanden när någon form av dielektrikum är placerat mellan dem.

Den dielektriska konstanten för ett medium är precis det värde som gör att du kan kvantitativt bestämma krafternas värden, oavsett avståndet mellan laddningarna och deras storlek. Det räcker att dela interaktionskraften för laddningar i ett vakuum med dielektricitetskonstanten för det införda dielektrikumet - vi får interaktionskraften i närvaro av ett dielektrikum.

Sofistikerad forskningsutrustning — en partikelaccelerator. Driften av laddade partikelacceleratorer är baserad på fenomenet interaktion mellan ett elektriskt fält och laddade partiklar. Det elektriska fältet fungerar i acceleratorn, vilket ökar partikelns energi.

Om vi ​​här betraktar den accelererade partikeln som en punktladdning, och verkan av acceleratorns accelererande elektriska fält som den totala kraften från andra punktladdningar, så iakttas i detta fall Coulombs lag fullt ut. Det magnetiska fältet riktar partikeln endast genom Lorentzkraften, men ändrar inte sin energi, utan ställer bara in banan för rörelse av partiklar i acceleratorn.

Skyddande elektriska strukturer. Viktiga elinstallationer är alltid utrustade med något så enkelt vid första anblicken som en blixtledare. Och blixtledaren i sitt arbete går inte heller över utan att iaktta Coulombs lag. Under ett åskväder uppstår stora inducerade laddningar på jorden — enligt Coulombs lag attraheras de i riktning mot åskmolnet. Resultatet är ett starkt elektriskt fält på jordens yta.

Intensiteten av detta fält är särskilt hög nära vassa ledare, och därför antänds en koronal urladdning i den spetsiga änden av blixtstången - laddningen från jorden tenderar, i enlighet med Coulombs lag, att attraheras av åskbultens motsatta laddning. moln.

Luften nära blixtledaren är starkt joniserad till följd av koronaurladdningen. Som ett resultat minskar styrkan hos det elektriska fältet nära spetsen (liksom inuti någon tråd), inducerade laddningar kan inte ackumuleras på byggnaden och sannolikheten för blixtnedslag minskar. Om blixten råkar träffa blixtledaren, kommer laddningen helt enkelt att gå till jorden och kommer inte att skada installationen.