Coulombs lov og dens anvendelse i elektroteknik

Ligesom i newtonsk mekanik sker der altid gravitationsinteraktion mellem legemer med masser, ligesom elektrodynamik, elektrisk interaktion er karakteristisk for legemer med elektriske ladninger. Elektrisk ladning er angivet med symbolet «q» eller «Q».

Vi kan endda sige, at begrebet elektrisk ladning q i elektrodynamik ligner begrebet gravitationsmasse m i mekanik noget. Men i modsætning til gravitationsmasse karakteriserer elektrisk ladning legemers og partiklers egenskaber til at indgå i elektromagnetiske vekselvirkninger, og disse vekselvirkninger er, som du forstår, ikke gravitationelle.

Elektriske ladninger

Menneskelig erfaring i studiet af elektriske fænomener indeholder mange eksperimentelle resultater, og alle disse fakta gjorde det muligt for fysikere at nå følgende utvetydige konklusioner om elektriske ladninger:

1. Elektriske ladninger er af to typer — betinget kan de opdeles i positive og negative.

2.Elektriske ladninger kan overføres fra en ladet genstand til en anden: for eksempel ved at bringe kroppe i kontakt med hinanden - ladningen mellem dem kan adskilles. I dette tilfælde er den elektriske ladning slet ikke en obligatorisk komponent i kroppen: under forskellige forhold kan det samme objekt have en ladning af forskellig størrelse og tegn, eller det kan ikke have nogen ladning. Ladningen er således ikke noget iboende i transportøren, og ladningen kan samtidig ikke eksistere uden transportøren.

3. Mens graviterende legemer altid tiltrækker hinanden, kan elektriske ladninger både tiltrække hinanden og frastøde hinanden. Ligesom ladninger tiltrækker hinanden, ligesom ladninger frastøder.

Ladningsbærere er elektroner, protoner og andre elementarpartikler. Der er to typer elektriske ladninger - positive og negative. De positive ladninger er dem, der vises på glasset gnidet med læder. Negativ - Ladninger opstår på pels-gnidet rav. Myndighederne, der er sigtet for anklagerne af samme navn, skubber tilbage. Objekter med modsatte ladninger tiltrækker hinanden.

Loven om bevarelse af elektrisk ladning er en grundlæggende naturlov, den lyder således: «den algebraiske sum af ladninger for alle legemer i et isoleret system forbliver konstant». Det betyder, at i et lukket system er det umuligt at fremkomme eller forsvinde afgifter for kun ét skilt.

Den algebraiske sum af ladninger i et isoleret system holdes konstant. Ladningsbærere kan bevæge sig fra et legeme til et andet eller bevæge sig inde i et legeme, i et molekyle, atom. Afgiften er uafhængig af referencerammen.

I dag er den videnskabelige opfattelse, at ladningsbærere oprindeligt var elementære partikler.Elementarpartikler neutroner (elektrisk neutrale), protoner (positivt ladede) og elektroner (negativt ladede) udgør atomer.

Atomernes kerner er opbygget af protoner og neutroner, og elektroner danner skaller af atomer. Modulerne for ladningerne af en elektron og en proton er lige store med den elementære ladning e, men i fortegn er ladningerne af disse partikler modsatte af hinanden.

Interaktion mellem elektriske ladninger - Coulombs lov

Hvad angår den direkte vekselvirkning mellem elektriske ladninger med hinanden, så etablerede og beskrev den franske fysiker Charles Coulomb i 1785 eksperimentelt denne grundlæggende lov for elektrostatik, den grundlæggende naturlov, som ikke følger af nogen andre love. I sit arbejde studerer videnskabsmanden interaktionen mellem stationære punktladede kroppe og måler kræfterne af deres gensidige frastødning og tiltrækning.

Coulomb etablerede eksperimentelt følgende: "Vekselkræfterne af stationære ladninger er direkte proportionale med produktet af modulerne og omvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem dem."

Dette er formuleringen af ​​Coulombs lov. Og selvom punktladninger ikke eksisterer i naturen, kan vi kun med hensyn til punktladninger tale om afstanden mellem dem inden for denne formulering af Coulombs lov.

Faktisk, hvis afstandene mellem kroppene væsentligt overstiger deres størrelser, så vil hverken størrelsen eller formen af ​​de ladede kroppe i særlig grad påvirke deres interaktion, hvilket betyder, at kroppene til dette problem retfærdigt kan betragtes som punktlignende.

Lad os se på et eksempel. Lad os hænge nogle ladede bolde på snore.Fordi de er ladet på en eller anden måde, vil de enten frastøde eller tiltrække. Da kræfterne er rettet langs en lige linje, der forbinder disse kroppe, er disse centrale kræfter.

For at angive kræfterne, der virker på hver af ladningerne fra den anden, vil vi skrive: F12 er kraften af ​​den anden ladning på den første, F21 er kraften af ​​den første ladning på den anden, r12 er radiusvektoren fra den anden. punkt opladning til den første. Hvis ladningerne har samme fortegn, så vil kraften F12 i fællesskab blive rettet mod radiusvektoren, men hvis ladningerne har forskellige fortegn, så vil kraften F12 blive rettet mod radiusvektoren.

Ved at bruge loven om vekselvirkning af punktladninger (Coulombs lov), kan vekselvirkningskraften nu findes for alle punktladninger eller punktladningslegemer. Hvis kroppene ikke er punktformede, brydes de mentalt op i pasteller af elementer, som hver især kan tages som en punktladning.

Efter at have fundet de kræfter, der virker mellem alle de små elementer, lægger disse kræfter sig geometrisk sammen - de finder den resulterende kraft. Elementarpartikler interagerer også med hinanden i henhold til Coulombs lov, og til dato er der ikke observeret nogen overtrædelser af denne grundlæggende lov om elektrostatik.

Anvendelse af Coulombs lov i elektroteknik

Der er intet område inden for moderne elektroteknik, hvor Coulombs lov ikke fungerer i en eller anden form. Starter med en elektrisk strøm, slutter med en enkelt opladet kondensator. Især de områder, der beskæftiger sig med elektrostatik - de er 100% relateret til Coulombs lov. Lad os se på nogle få eksempler.

Det enkleste tilfælde er indførelsen af ​​et dielektrikum.Kraften af ​​vekselvirkning af ladninger i et vakuum er altid større end vekselvirkningskraften af ​​de samme ladninger under forhold, hvor en slags dielektrikum er placeret mellem dem.

Den dielektriske konstant for et medium er netop den værdi, der giver dig mulighed for kvantitativt at bestemme værdierne af kræfterne, uanset afstanden mellem ladningerne og deres størrelse. Det er nok at dividere vekselvirkningskraften af ​​ladninger i et vakuum med dielektricitetskonstanten for det indførte dielektrikum - vi får vekselvirkningskraften i nærvær af et dielektrikum.

Sofistikeret forskningsudstyr — en partikelaccelerator. Driften af ​​ladede partikelacceleratorer er baseret på fænomenet interaktion mellem et elektrisk felt og ladede partikler. Det elektriske felt virker i acceleratoren, hvilket øger partiklens energi.

Hvis vi her betragter den accelererede partikel som en punktladning, og virkningen af ​​acceleratorens accelererende elektriske felt som den samlede kraft fra andre punktladninger, så overholdes i dette tilfælde Coulombs lov fuldt ud. Det magnetiske felt leder kun partiklen gennem Lorentz-kraften, men ændrer ikke sin energi, men sætter kun banen for bevægelse af partikler i acceleratoren.

Beskyttende elektriske strukturer. Vigtige elinstallationer er altid udstyret med noget så enkelt ved første øjekast som en lynafleder. Og lynaflederen i sit arbejde går heller ikke forbi uden at overholde Coulombs lov. Under et tordenvejr opstår der store inducerede ladninger på Jorden - ifølge Coulombs lov tiltrækkes de i retning af tordenvejrsskyen. Resultatet er et stærkt elektrisk felt på jordens overflade.

Intensiteten af ​​dette felt er særlig høj i nærheden af ​​skarpe ledere, og derfor antændes en koronal udladning i den spidse ende af lynaflederen - ladningen fra Jorden har en tendens til, i overensstemmelse med Coulombs lov, at blive tiltrukket af den modsatte ladning af torden. Sky.

Luften nær lynaflederen er stærkt ioniseret som følge af koronaudladningen. Som et resultat falder styrken af ​​det elektriske felt nær spidsen (såvel som inde i enhver ledning), inducerede ladninger kan ikke akkumuleres på bygningen, og sandsynligheden for lynnedslag reduceres. Hvis lynet tilfældigvis slår ned i lynaflederen, vil ladningen simpelthen gå til Jorden og vil ikke beskadige installationen.