Coulombs lov og dens anvendelse i elektroteknikk

Akkurat som i newtonsk mekanikk skjer det alltid gravitasjonsinteraksjon mellom legemer med masser, på samme måte som elektrodynamikk, er elektrisk interaksjon karakteristisk for legemer med elektriske ladninger. Elektrisk ladning er merket med symbolet «q» eller «Q».

Vi kan til og med si at begrepet elektrisk ladning q i elektrodynamikk er noe likt begrepet gravitasjonsmasse m i mekanikk. Men i motsetning til gravitasjonsmasse, karakteriserer elektrisk ladning egenskapen til kropper og partikler til å gå inn i elektromagnetiske interaksjoner, og disse interaksjonene er, som du forstår, ikke gravitasjonsmessige.

Elektriske ladninger

Menneskelig erfaring i studiet av elektriske fenomener inneholder mange eksperimentelle resultater, og alle disse fakta tillot fysikere å komme til følgende utvetydige konklusjoner om elektriske ladninger:

1. Elektriske ladninger er av to typer — betinget kan de deles inn i positive og negative.

2.Elektriske ladninger kan overføres fra en ladet gjenstand til en annen: for eksempel ved å kontakte kropper med hverandre - ladningen mellom dem kan skilles. I dette tilfellet er den elektriske ladningen ikke en obligatorisk komponent i kroppen i det hele tatt: under forskjellige forhold kan det samme objektet ha en ladning av forskjellig størrelse og tegn, eller det kan ikke ha noen ladning. Ladningen er altså ikke noe iboende i transportøren, og samtidig kan ladningen ikke eksistere uten transportøren.

3. Mens graviterende legemer alltid tiltrekker hverandre, kan elektriske ladninger både tiltrekke hverandre og frastøte hverandre. Like ladninger tiltrekker seg hverandre, like ladninger frastøter.

Ladningsbærere er elektroner, protoner og andre elementærpartikler. Det er to typer elektriske ladninger - positive og negative. De positive ladningene er de som vises på glasset gnidd med skinn. Negativ - Ladninger som oppstår på pelsgnidd rav. Myndighetene som er tiltalt for anklagene med samme navn trekker tilbake. Gjenstander med motsatt ladning tiltrekker hverandre.

Loven om bevaring av elektrisk ladning er en grunnleggende naturlov, den lyder slik: «den algebraiske summen av ladninger av alle legemer i et isolert system forblir konstant». Dette betyr at i et lukket system er det umulig å oppstå eller forsvinne anklager for bare ett skilt.

Den algebraiske summen av ladninger i et isolert system holdes konstant. Ladningsbærere kan bevege seg fra en kropp til en annen eller bevege seg inne i en kropp, i et molekyl, atom. Avgiften er uavhengig av referanserammen.

I dag er det vitenskapelige synet at ladningsbærere opprinnelig var elementærpartikler.Elementærpartikler nøytroner (elektrisk nøytrale), protoner (positivt ladet) og elektroner (negativt ladet) utgjør atomer.

Atomkjernene er bygd opp av protoner og nøytroner, og elektroner danner skallene til atomer. Modulene til ladningene til et elektron og et proton er like i størrelse med den elementære ladningen e, men i fortegn er ladningene til disse partiklene motsatte av hverandre.

Samspill mellom elektriske ladninger — Coulombs lov

Når det gjelder den direkte interaksjonen mellom elektriske ladninger med hverandre, etablerte og beskrev den franske fysikeren Charles Coulomb eksperimentelt i 1785 denne grunnleggende loven for elektrostatikk, den grunnleggende naturloven, som ikke følger av noen andre lover. I sitt arbeid studerer forskeren samspillet mellom stasjonære punktladede kropper og måler kreftene til deres gjensidige frastøtning og tiltrekning.

Coulomb etablerte eksperimentelt følgende: «Samvirkningskreftene til stasjonære ladninger er direkte proporsjonale med produktet av modulene og omvendt proporsjonale med kvadratet på avstanden mellom dem.»

Dette er formuleringen av Coulombs lov. Og selv om punktladninger ikke eksisterer i naturen, er det bare i form av punktladninger som vi kan snakke om avstanden mellom dem, innenfor denne formuleringen av Coulombs lov.

Faktisk, hvis avstandene mellom kroppene betydelig overstiger størrelsen deres, vil verken størrelsen eller formen på de ladede legene i særlig grad påvirke deres interaksjon, noe som betyr at kroppene for dette problemet ganske kan betraktes som punktlignende.

La oss se på et eksempel. La oss henge noen ladede baller på strenger.Fordi de er ladet på en eller annen måte, vil de enten frastøte eller tiltrekke seg. Siden kreftene er rettet langs en rett linje som forbinder disse kroppene, er dette sentrale krefter.

For å betegne kreftene som virker på hver av ladningene fra den andre, vil vi skrive: F12 er kraften til den andre ladningen på den første, F21 er kraften til den første ladningen på den andre, r12 er radiusvektoren fra den andre punkt ladning til den første. Hvis ladningene har samme fortegn, vil kraften F12 i fellesskap rettes mot radiusvektoren, men hvis ladningene har forskjellige fortegn, vil kraften F12 rettes mot radiusvektoren.

Ved å bruke loven om interaksjon av punktladninger (Coulombs lov), kan samhandlingskraften nå bli funnet for alle punktladninger eller punktladningslegemer. Hvis kroppene ikke er punktformede, brytes de mentalt opp i pasteller av elementer, som hver kan tas som en punktladning.

Etter å ha funnet kreftene som virker mellom alle de små elementene, summeres disse kreftene geometrisk - de finner den resulterende kraften. Elementærpartikler samhandler også med hverandre i henhold til Coulombs lov, og til dags dato har ingen brudd på denne grunnleggende loven om elektrostatikk blitt observert.

Anvendelse av Coulombs lov innen elektroteknikk

Det er ikke noe område innen moderne elektroteknikk hvor Coulombs lov ikke fungerer i en eller annen form. Starter med en elektrisk strøm, slutter med en enkelt ladet kondensator. Spesielt de områdene som omhandler elektrostatikk - de er 100% relatert til Coulombs lov. La oss se på noen få eksempler.

Det enkleste tilfellet er introduksjonen av et dielektrikum.Kraften til vekselvirkning av ladninger i et vakuum er alltid større enn vekselvirkningskraften til de samme ladningene under forhold når en slags dielektrikum er plassert mellom dem.

Den dielektriske konstanten til et medium er nettopp den verdien som lar deg kvantitativt bestemme verdiene til kreftene, uavhengig av avstanden mellom ladningene og deres størrelse. Det er nok å dele interaksjonskraften til ladninger i et vakuum med den dielektriske konstanten til det introduserte dielektrikumet - vi får interaksjonskraften i nærvær av et dielektrikum.

Sofistikert forskningsutstyr — en partikkelakselerator. Driften av ladede partikkelakseleratorer er basert på fenomenet interaksjon mellom et elektrisk felt og ladede partikler. Det elektriske feltet virker i akseleratoren, og øker energien til partikkelen.

Hvis vi her ser på den akselererte partikkelen som en punktladning, og virkningen av det akselererende elektriske feltet til akseleratoren som den totale kraften fra andre punktladninger, så er i dette tilfellet Coulombs lov fullt ut overholdt.Magnetfeltet leder partikkelen kun gjennom Lorentz-kraften, men endrer ikke sin energi, men setter bare banen for bevegelse av partikler i akseleratoren.

Beskyttende elektriske strukturer. Viktige elektriske installasjoner er alltid utstyrt med noe så enkelt ved første øyekast som en lynavleder. Og lynavlederen i sitt arbeid går heller ikke forbi uten å overholde Coulombs lov. Under et tordenvær dukker det opp store induserte ladninger på jorden - i henhold til Coulombs lov tiltrekkes de i retning av tordenskyen. Resultatet er et sterkt elektrisk felt på jordoverflaten.

Intensiteten til dette feltet er spesielt høy i nærheten av skarpe ledere, og derfor tennes en koronal utladning ved den spisse enden av lynavlederen - ladningen fra jorden har en tendens, i samsvar med Coulombs lov, til å bli tiltrukket av den motsatte ladningen til tordenbolten. Sky.

Luften nær lynavlederen er sterkt ionisert som følge av koronautslippet. Som et resultat avtar styrken på det elektriske feltet nær spissen (så vel som inne i enhver ledning), induserte ladninger kan ikke samle seg på bygningen, og sannsynligheten for lyn reduseres. Hvis lynet tilfeldigvis slår ned i lynavlederen, vil ladningen ganske enkelt gå til jorden og vil ikke skade installasjonen.