Konsep kelistrikan. Elektrifikasi. Konduktor, semikonduktor dan dielektrik. Muatan dasar dan sifat-sifatnya. hukum Coulomb. Kekuatan medan listrik. Prinsip superposisi. Medan listrik sebagai manifestasi interaksi. Medan listrik dipol dasar.
Istilah listrik berasal dari kata Yunani elektron (amber).
Elektrisasi adalah proses pemberian energi listrik ke tubuh.
mengenakan biaya. Istilah ini diperkenalkan pada abad ke-16 oleh ilmuwan dan dokter Inggris Gilbert.
Muatan LISTRIK ADALAH NILAI SKALA FISIK YANG MENCIPTAKAN SIFAT BADAN ATAU PARTIKEL UNTUK MASUK DAN INTERAKSI ELEKTROMAGNETIK SERTA MENENTUKAN KEKUATAN DAN ENERGI INTERAKSI INI.
Sifat muatan listrik:
1. Di alam, ada dua jenis muatan listrik. Positif (muncul pada kaca bergesekan dengan kulit) dan negatif (muncul pada ebonit bergesekan dengan bulu).
2. Muatan dengan nama yang sama tolak menolak, muatan yang berbeda tarik-menarik.
3. Muatan listrik TIDAK ADA TANPA PARTIKEL PEMBAWA muatan (elektron, proton, positron, dll) Misalnya, e/muatan tidak dapat dilepaskan dari sebuah elektron dan partikel bermuatan elementer lainnya.
4. Muatan listrik bersifat diskrit, yaitu muatan suatu benda adalah kelipatan bilangan bulat dari muatan listrik dasar e(e = 1.6 10 -19 C). Elektron (mis.= 9,11 10 -31 kg) dan proton (t p = 1,67 10 -27 kg) masing-masing adalah pembawa muatan dasar negatif dan positif.(Partikel dengan muatan listrik fraksional diketahui: – 1/3 e dan 2/3 e - ini quark dan antiquark , tetapi mereka tidak ditemukan dalam keadaan bebas).
5. Muatan listrik - besarnya relativistik invarian , itu. tidak bergantung pada kerangka acuan, dan karena itu tidak bergantung pada apakah muatan ini bergerak atau diam.
6. Dari generalisasi data eksperimen, hukum alam dasar - hukum kekekalan muatan: jumlah aljabar
muatan listrik ma dari setiap sistem tertutup(sistem yang tidak bertukar muatan dengan badan eksternal) tetap tidak berubah, tidak peduli proses apa yang terjadi dalam sistem ini.
Hukum ini secara eksperimental dikonfirmasi pada tahun 1843 oleh seorang fisikawan Inggris
M. Faraday ( 1791-1867) dan lainnya, ditegaskan dengan kelahiran dan pemusnahan partikel dan antipartikel.
Satuan muatan listrik (satuan turunan, seperti yang ditentukan melalui satuan kekuatan arus) - liontin (C): 1 C - muatan listrik,
melewati penampang konduktor dengan kuat arus 1 A selama 1 s.
Semua benda di alam mampu dialiri listrik; memperoleh muatan listrik. Elektrifikasi benda dapat dilakukan dengan berbagai cara: dengan kontak (gesekan), induksi elektrostatik
dll. Setiap proses pengisian direduksi menjadi pemisahan muatan, di mana salah satu benda (atau bagian tubuh) memiliki kelebihan muatan positif, dan di sisi lain (atau bagian lain dari tubuh) - kelebihan muatan negatif mengenakan biaya. Jumlah total muatan dari kedua tanda yang terkandung dalam tubuh tidak berubah: muatan ini hanya didistribusikan kembali di antara tubuh.
Elektrifikasi benda dimungkinkan karena benda terdiri dari partikel bermuatan. Dalam proses elektrifikasi benda, elektron dan ion yang berada dalam keadaan bebas dapat bergerak. Proton tetap berada di inti.
Tergantung pada konsentrasi muatan bebas, benda dibagi menjadi: konduktor, dielektrik dan semikonduktor.
konduktor- benda di mana muatan listrik dapat bercampur di seluruh volumenya. Konduktor dibagi menjadi dua kelompok:
1) konduktor jenis pertama (logam) - transfer ke
muatan (elektron bebas) tidak disertai dengan kimia
transformasi;
2) konduktor jenis kedua (misalnya, garam cair,
rentang asam) - transfer muatan di dalamnya (positif dan negatif
ion) menyebabkan perubahan kimia.
Dielektrik(misalnya, kaca, plastik) - badan di mana praktis tidak ada biaya gratis.
Semikonduktor (misalnya germanium, silikon) menempati
posisi antara konduktor dan dielektrik. Pembagian benda ini sangat sewenang-wenang, tetapi perbedaan besar dalam konsentrasi muatan bebas di dalamnya menyebabkan perbedaan kualitatif yang sangat besar dalam perilakunya dan karenanya membenarkan pembagian benda menjadi konduktor, dielektrik, dan semikonduktor.
ELEKTROSTATIKA- ilmu tentang muatan tetap
hukum Coulomb.
Hukum interaksi titik pasti muatan listrik
Dipasang secara eksperimental pada tahun 1785 oleh Sh. Coulomb menggunakan timbangan puntir.
mirip dengan yang digunakan oleh G. Cavendish untuk menentukan konstanta gravitasi (hukum ini sebelumnya ditemukan oleh G. Cavendish, tetapi karyanya tetap tidak diketahui selama lebih dari 100 tahun).
muatan titik, disebut benda atau partikel bermuatan, yang ukurannya dapat diabaikan, dibandingkan dengan jaraknya.
Hukum Coulomb: gaya interaksi antara dua muatan titik tetap yang terletak dalam ruang hampa sebanding dengan biaya q 1 dan q2, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak r antara keduanya :
k - faktor proporsionalitas tergantung pada pilihan sistem
dalam SI 
Nilai ε 0 ditelepon konstanta listrik; itu mengacu pada
nomor konstanta fisika dasar dan sama dengan:
0 = 8,85 10 -12 C 2 / N∙m 2
Dalam bentuk vektor, hukum Coulomb dalam ruang hampa memiliki bentuk:
di mana adalah vektor jari-jari yang menghubungkan muatan kedua dengan muatan pertama, F 12 adalah gaya yang bekerja dari muatan kedua pada muatan pertama.
Keakuratan penerapan hukum Coulomb pada jarak yang jauh, hingga
10 7 m, didirikan selama studi medan magnet menggunakan satelit
di ruang dekat Bumi. Keakuratan implementasinya pada jarak dekat, hingga 10 -17 m, diverifikasi oleh eksperimen pada interaksi partikel elementer.
Hukum Coulomb di lingkungan
Di semua media, gaya interaksi Coulomb lebih kecil daripada gaya interaksi di ruang hampa atau udara. Besaran fisika yang menunjukkan berapa kali gaya interaksi elektrostatik dalam ruang hampa lebih besar daripada dalam media tertentu disebut permitivitas media dan dilambangkan dengan huruf ε.
= F dalam ruang hampa / F dalam medium
Hukum Coulomb dalam bentuk umum dalam SI:
Sifat-sifat gaya Coulomb.
1. Gaya Coulomb adalah gaya tipe pusat, karena diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan
Gaya Coulomb merupakan gaya tarik menarik jika tanda muatannya berbeda dan gaya tolak menolak jika tanda muatannya sama.
3. Untuk gaya Coulomb, hukum ke-3 Newton berlaku
4. Gaya Coulomb mematuhi prinsip independensi atau superposisi, karena gaya interaksi antara dua muatan titik tidak akan berubah ketika muatan lain tampak dekat. Gaya interaksi elektrostatik yang dihasilkan yang bekerja pada muatan tertentu sama dengan jumlah vektor gaya interaksi muatan tertentu dengan setiap muatan sistem secara terpisah.
F= F 12 + F 13 + F 14 + + F 1 N
Interaksi antara muatan dilakukan melalui medan listrik. Medan listrik adalah bentuk khusus dari keberadaan materi, yang melaluinya interaksi muatan listrik dilakukan. Medan listrik memanifestasikan dirinya dengan fakta bahwa ia bekerja dengan gaya pada setiap muatan lain yang dimasukkan ke dalam medan ini. Medan elektrostatik dibuat oleh muatan listrik stasioner dan merambat di ruang angkasa dengan kecepatan terbatas c.
Sifat daya dari medan listrik disebut kekuatan.
ketegangan listrik pada suatu titik disebut besaran fisis yang sama dengan rasio gaya yang diberikan medan pada muatan uji positif yang ditempatkan pada titik tertentu terhadap modulus muatan ini.
Kuat medan muatan titik q:
Prinsip superposisi: kekuatan medan listrik yang diciptakan oleh sistem muatan pada titik tertentu dalam ruang sama dengan jumlah vektor kekuatan medan listrik yang diciptakan pada titik ini oleh setiap muatan secara terpisah (tanpa adanya muatan lain).
Dalam pelajaran ini, yang topiknya adalah "Hukum Coulomb", kita akan berbicara tentang hukum Coulomb itu sendiri, tentang apa itu muatan titik, dan untuk mengkonsolidasikan materi, kita akan memecahkan beberapa masalah tentang topik ini.
Tema pelajaran: "Hukum Coulomb". Hukum Coulomb secara kuantitatif menggambarkan interaksi muatan tak bergerak titik - yaitu, muatan yang berada dalam posisi statis relatif satu sama lain. Interaksi ini disebut elektrostatik atau listrik dan merupakan bagian dari interaksi elektromagnetik.
Interaksi elektromagnetik
Tentu saja, jika muatan bergerak, mereka juga berinteraksi. Interaksi ini disebut magnet dan dijelaskan dalam bagian fisika yang disebut "Magnetisme".
Harus dipahami bahwa "elektrostatika" dan "magnetisme" adalah model fisik, dan bersama-sama mereka menggambarkan interaksi muatan bergerak dan stasioner relatif satu sama lain. Dan semuanya itu disebut interaksi elektromagnetik.
Interaksi elektromagnetik adalah salah satu dari empat interaksi mendasar yang ada di alam.
Muatan listrik
Apa itu muatan listrik? Definisi dalam buku teks dan Internet memberi tahu kita bahwa muatan adalah besaran skalar yang mencirikan intensitas interaksi elektromagnetik benda. Artinya, interaksi elektromagnetik adalah interaksi muatan, dan muatan adalah besaran yang mencirikan interaksi elektromagnetik. Kedengarannya membingungkan - kedua konsep didefinisikan satu sama lain. Mari kita cari tahu!
Keberadaan interaksi elektromagnetik adalah fakta alami, sesuatu seperti aksioma dalam matematika. Orang-orang memperhatikannya dan belajar menggambarkannya. Untuk melakukan ini, mereka memperkenalkan kuantitas nyaman yang mencirikan fenomena ini (termasuk muatan listrik) dan membangun model matematika (rumus, hukum, dll.) yang menggambarkan interaksi ini.
Hukum Coulomb
Hukum Coulomb terlihat seperti ini:
Gaya interaksi dua muatan listrik titik tetap dalam ruang hampa berbanding lurus dengan produk modulnya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya. Ini diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan, dan merupakan gaya tarik menarik jika muatannya berlawanan, dan gaya tolak menolak jika muatannya memiliki nama yang sama.
Koefisien k dalam hukum Coulomb secara numerik sama dengan:
Analogi dengan interaksi gravitasi
Hukum gravitasi universal mengatakan: semua benda bermassa tertarik satu sama lain. Interaksi ini disebut gravitasi. Misalnya, gaya gravitasi yang membuat kita tertarik ke Bumi adalah kasus khusus dari interaksi gravitasi. Bagaimanapun, baik kita dan Bumi memiliki massa. Gaya interaksi gravitasi berbanding lurus dengan produk massa benda-benda yang berinteraksi dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.
Koefisien disebut konstanta gravitasi.
Secara numerik sama dengan: 
.
Seperti yang Anda lihat, bentuk ekspresi yang secara kuantitatif menggambarkan interaksi gravitasi dan elektrostatik sangat mirip.
Dalam pembilang dari kedua ekspresi - produk dari unit yang mencirikan jenis interaksi ini. Untuk gravitasi - ini adalah massa, untuk muatan elektromagnetik. Dalam penyebut kedua ekspresi - kuadrat jarak antara objek interaksi.
Hubungan terbalik dengan kuadrat jarak sering ditemukan dalam banyak hukum fisika. Ini memungkinkan kita untuk berbicara tentang pola umum yang menghubungkan besarnya efek dengan kuadrat jarak antara objek interaksi.
Proporsionalitas ini berlaku untuk interaksi gravitasi, listrik, magnet, kekuatan suara, cahaya, radiasi, dll.
Ini dijelaskan oleh fakta bahwa luas permukaan bola perambatan efek meningkat secara proporsional dengan kuadrat jari-jari (lihat Gambar 1).
Beras. 1. Meningkatkan luas permukaan bola
Ini akan terlihat alami jika Anda ingat bahwa luas bola sebanding dengan kuadrat jari-jarinya:
Secara fisis, ini berarti bahwa gaya interaksi dua muatan titik tetap dalam 1 C, yang terletak pada jarak 1 m dari satu sama lain dalam ruang hampa, akan sama dengan 9·10 9 N (lihat Gambar 2).
Beras. 2. Gaya interaksi dua muatan titik dalam 1 C
Tampaknya kekuatan ini sangat besar. Tetapi harus dipahami bahwa urutannya dikaitkan dengan karakteristik lain - nilai muatan 1 C. Dalam praktiknya, benda bermuatan yang berinteraksi dengan kita dalam kehidupan sehari-hari memiliki muatan dalam orde mikro atau bahkan nanokoulomb.
Koefisiendan konstanta listrik
Terkadang, alih-alih koefisien, konstanta lain digunakan yang mencirikan interaksi elektrostatik, yang disebut "konstanta listrik". Dia ditunjuk. Hal ini terkait dengan koefisien sebagai berikut:
Dengan melakukan transformasi matematika sederhana, Anda dapat mengekspresikan dan menghitungnya:
Kedua konstanta, tentu saja, hadir dalam tabel buku masalah. Hukum Coulomb kemudian mengambil bentuk berikut:
Mari kita perhatikan beberapa poin halus.
Penting untuk dipahami bahwa kita berbicara tentang interaksi. Artinya, jika kita mengambil dua muatan, maka masing-masing akan bekerja pada yang lain dengan gaya yang sama dalam nilai absolut. Gaya-gaya ini akan diarahkan dalam arah yang berlawanan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan titik.
Muatan akan menolak jika memiliki tanda yang sama (baik positif atau keduanya negatif (lihat Gambar 3)), dan tarik menarik jika memiliki tanda yang berbeda (satu negatif, yang lain positif (lihat Gambar 4)).
Beras. 3. Interaksi muatan sejenis
Beras. 4. Interaksi muatan yang berbeda
muatan poin
Dalam rumusan hukum Coulomb, istilah "muatan titik" hadir. Apa artinya ini? Pertimbangkan mekanik. Menyelidiki, misalnya, pergerakan kereta api antar kota, kami mengabaikan dimensinya. Lagi pula, ukuran kereta api itu ratusan atau ribuan kali lebih kecil dari jarak antar kota (lihat Gambar 5). Dalam masalah seperti itu, kami menganggap kereta "titik material" - sebuah benda, yang dimensinya, dalam rangka memecahkan masalah tertentu, dapat kita abaikan.
Beras. 5. Dalam hal ini, kita mengabaikan dimensi kereta api
Jadi begini muatan titik adalah titik material yang memiliki muatan. Dalam praktiknya, dengan menggunakan hukum Coulomb, kita mengabaikan ukuran benda bermuatan dibandingkan dengan jarak di antara mereka. Jika dimensi benda bermuatan sebanding dengan jarak di antara mereka, maka karena redistribusi muatan di dalam benda, interaksi elektrostatik akan lebih kompleks.
Pada simpul segi enam beraturan dengan sisi, muatan ditempatkan satu demi satu. Temukan gaya yang bekerja pada muatan yang terletak di pusat segi enam (lihat Gambar 6).
Beras. 6. Menggambar untuk kondisi masalah 1
Mari kita bernalar: muatan yang terletak di tengah segi enam akan berinteraksi dengan masing-masing muatan yang terletak di simpul segi enam. Tergantung pada tanda-tandanya, ini akan menjadi gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak. Dengan muatan 1, 2, dan 3 positif, muatan di pusat akan mengalami tolakan elektrostatik (lihat Gambar 7).
Beras. 7. Tolakan elektrostatik
Dan dengan muatan 4, 5, dan 6 (negatif), muatan di pusat akan memiliki gaya tarik elektrostatik (lihat Gambar 8).
Beras. 8. Daya tarik elektrostatik
Gaya total yang bekerja pada muatan yang terletak di pusat segi enam akan menjadi resultan gaya ,,,, dan, modulus masing-masing dapat dicari dengan menggunakan hukum Coulomb. Mari kita mulai memecahkan masalah.
Larutan
Gaya interaksi muatan, yang terletak di tengah, dengan masing-masing muatan di simpul tergantung pada modul muatan itu sendiri dan jarak di antara mereka. Jarak dari simpul ke pusat segi enam biasa adalah sama, modul muatan yang berinteraksi dalam kasus kami juga sama (lihat Gambar 9).
Beras. 9. Jarak dari simpul ke pusat dalam segi enam beraturan adalah sama
Ini berarti bahwa semua gaya interaksi muatan di pusat segi enam dengan muatan di simpul akan sama dalam nilai absolut. Menggunakan hukum Coulomb, kita dapat menemukan modul ini:
Jarak dari pusat ke titik sudut pada segi enam beraturan sama dengan panjang sisi segi enam beraturan, yang kita ketahui dari kondisinya, oleh karena itu:
Sekarang kita perlu menemukan jumlah vektor - untuk ini kita memilih sistem koordinat: sumbu sepanjang gaya, dan sumbu tegak lurus (lihat Gambar 10).
Beras. 10. Pemilihan sumbu
Mari kita cari proyeksi total pada sumbu - kita cukup menunjukkan modul masing-masing sumbu.
Karena gaya-gaya dan searah dengan sumbu, tetapi membentuk sudut terhadap sumbu (lihat Gambar 11).
Mari kita lakukan hal yang sama untuk sumbu:
Tanda "-" - karena gaya dan diarahkan ke arah yang berlawanan dari sumbu. Artinya, proyeksi gaya total pada sumbu yang telah kita pilih akan sama dengan 0. Ternyata gaya total hanya akan bekerja sepanjang sumbu, tetap menggantikan di sini hanya ekspresi untuk modulus interaksi kekuatan dan dan mendapatkan jawabannya. Gaya total akan sama dengan:
Masalah terpecahkan.
Hal halus lainnya adalah ini: hukum Coulomb mengatakan bahwa muatan berada dalam ruang hampa (lihat Gambar 12).
Beras. 12. Interaksi muatan dalam ruang hampa
Ini adalah catatan yang sangat penting. Karena dalam media selain vakum, kekuatan interaksi elektrostatik akan melemah (lihat Gambar 13).
Beras. 13. Interaksi muatan dalam medium selain ruang hampa
Untuk mempertimbangkan faktor ini, nilai khusus diperkenalkan ke dalam model elektrostatika, yang memungkinkan membuat "koreksi untuk medium". Ini disebut konstanta dielektrik medium. Ini dilambangkan, seperti konstanta listrik, dengan huruf Yunani "epsilon", tetapi tanpa indeks.
Arti fisis dari besaran ini adalah sebagai berikut.
Gaya interaksi elektrostatik dua muatan titik tetap dalam medium selain ruang hampa akan kali lebih kecil daripada gaya interaksi muatan yang sama pada jarak yang sama dalam ruang hampa.
Jadi, dalam media selain ruang hampa, gaya interaksi elektrostatik dari dua muatan stasioner titik akan sama dengan:
Nilai permitivitas berbagai zat telah lama ditemukan dan dikumpulkan dalam tabel khusus (lihat Gambar 14).
Beras. 14. Konstanta dielektrik dari beberapa zat
Kita dapat dengan bebas menggunakan nilai tabular dari permitivitas zat yang kita butuhkan dalam memecahkan masalah.
Penting untuk dipahami bahwa ketika memecahkan masalah, gaya interaksi elektrostatik dianggap dan dijelaskan dalam persamaan dinamika sebagai gaya biasa. Mari kita selesaikan masalahnya.
Dua bola bermuatan identik disuspensikan dalam medium dengan konstanta dielektrik pada utas yang sama panjang, tetap pada satu titik. Tentukan modulus muatan bola jika ulirnya tegak lurus satu sama lain (lihat Gambar 15). Ukuran bola dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak di antara mereka. Massa kedua bola adalah sama.
Beras. 15. Menggambar untuk kondisi masalah 2
Mari kita bernalar: tiga gaya akan bekerja pada masing-masing bola - gravitasi; gaya interaksi elektrostatik dan gaya tegangan ulir (lihat Gambar 16).
Beras. 16. Gaya yang bekerja pada bola
Dengan syarat, bola-bola itu sama, yaitu, muatannya sama besar dan tandanya, yang berarti bahwa gaya interaksi elektrostatik dalam hal ini adalah gaya tolak-menolak (pada Gambar 16, gaya interaksi elektrostatik diarahkan dalam arah yang berbeda). Karena sistem berada dalam kesetimbangan, kita akan menggunakan hukum pertama Newton:
Karena kondisi mengatakan bahwa bola disuspensikan dalam media dengan konstanta dielektrik, dan ukuran bola dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak antara mereka, maka, sesuai dengan hukum Coulomb, gaya yang akan digunakan bola untuk menolak adalah sama dengan:
Larutan
Mari kita tuliskan hukum pertama Newton dalam proyeksi pada sumbu koordinat. Kami mengarahkan sumbu secara horizontal, dan sumbu secara vertikal (lihat Gambar 17).
Dua muatan titik bekerja satu sama lain dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya dan berbanding lurus dengan produk muatannya (terlepas dari tanda muatannya)
Dalam media yang berbeda, seperti udara dan air, dua muatan titik berinteraksi dengan kekuatan yang berbeda. Permitivitas relatif medium mencirikan perbedaan ini. Ini adalah nilai tabular yang diketahui. Untuk udara.
Konstanta k didefinisikan sebagai
Arah gaya Coulomb
Menurut hukum ketiga Newton, gaya-gaya yang sifatnya sama muncul berpasangan, sama besar, berlawanan arah. Jika dua muatan yang tidak sama berinteraksi, gaya yang bekerja pada muatan yang lebih besar pada muatan yang lebih kecil (B pada A) sama dengan gaya yang digunakan oleh muatan yang lebih kecil pada muatan yang lebih besar (A pada B).
Menariknya, berbagai hukum fisika memiliki beberapa ciri umum. Mari kita ingat hukum gravitasi. Gaya gravitasi juga berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, tetapi sudah di antara massa, dan tanpa sadar muncul pemikiran bahwa pola ini memiliki makna yang dalam. Hingga saat ini, belum ada yang mampu menghadirkan gravitasi dan listrik sebagai dua manifestasi berbeda dari esensi yang sama.
Gaya di sini juga bervariasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, tetapi perbedaan besarnya gaya listrik dan gaya gravitasi sangat mencolok. Dalam mencoba menetapkan sifat umum gravitasi dan listrik, kami menemukan keunggulan gaya listrik di atas gaya gravitasi sehingga sulit dipercaya bahwa keduanya memiliki sumber yang sama. Bagaimana Anda bisa mengatakan bahwa yang satu lebih kuat dari yang lain? Bagaimanapun, itu semua tergantung pada apa massa dan muatannya. Berdebat tentang seberapa kuat gravitasi bekerja, Anda tidak berhak mengatakan: "Mari kita ambil massa dengan ukuran ini dan itu," karena Anda memilihnya sendiri. Tetapi jika kita mengambil apa yang alam tawarkan kepada kita (jumlah dan ukurannya sendiri, yang tidak ada hubungannya dengan inci, tahun, ukuran kita), maka kita dapat membandingkan. Kami akan mengambil partikel bermuatan dasar, seperti, misalnya, elektron. Dua partikel elementer, dua elektron, karena muatan listrik saling tolak menolak dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara mereka, dan karena gravitasi mereka ditarik satu sama lain lagi dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak.
Pertanyaan: Berapa perbandingan gaya gravitasi dengan gaya listrik? Gravitasi terkait dengan tolakan listrik seperti halnya angka dengan 42 nol. Ini sangat membingungkan. Dari mana datangnya jumlah yang begitu besar?
Orang-orang mencari faktor besar ini dalam fenomena alam lainnya. Mereka melewati semua jenis bilangan besar, dan jika Anda menginginkan bilangan besar, mengapa tidak mengambil, katakanlah, rasio diameter alam semesta dengan diameter proton - secara mengejutkan, ini juga merupakan bilangan dengan 42 nol. Dan mereka berkata: mungkinkah koefisien ini sama dengan rasio diameter proton dengan diameter alam semesta? Ini adalah pemikiran yang menarik, tetapi ketika alam semesta mengembang secara bertahap, konstanta gravitasi juga harus berubah. Meskipun hipotesis ini belum terbantahkan, kami tidak memiliki bukti yang mendukungnya. Sebaliknya, beberapa bukti menunjukkan bahwa konstanta gravitasi tidak berubah dengan cara ini. Jumlah yang sangat besar ini masih menjadi misteri hingga hari ini.
Diketahui bahwa setiap benda bermuatan memiliki medan listrik. Dapat juga dikatakan bahwa jika ada medan listrik, maka ada benda bermuatan yang memiliki medan ini. Jadi, jika ada dua benda bermuatan dengan muatan listrik di dekatnya, maka kita dapat mengatakan bahwa masing-masing benda tersebut berada dalam medan listrik benda yang bersebelahan. Dan dalam hal ini, gaya akan bekerja pada benda pertama
F1 =q 1E2 ,
di mana q 1 adalah muatan tubuh pertama; E 2- kekuatan medan tubuh kedua. Pada benda kedua, masing-masing, gaya akan bekerja
F2 =q2E 1 ,
di mana q2 adalah muatan tubuh pertama; E 1- kekuatan medan tubuh kedua.
Benda bermuatan listrik berinteraksi dengan medan listrik benda bermuatan lain.
Jika benda-benda ini kecil (seperti titik), maka
E 1 =k. q 1 / r 2 ,
E2 =k.q 2 /r2,
Gaya yang bekerja pada masing-masing benda bermuatan yang berinteraksi dapat dihitung hanya dengan mengetahui muatannya dan jarak antara keduanya.
Substitusikan nilai tegangan dan dapatkan
F 1 \u003d k. q 1 q 2 / r 2 dan F 2 \u003d k. q 2 q 1 / r 2 .
Nilai setiap gaya hanya dinyatakan melalui nilai muatan masing-masing benda dan jarak di antara mereka. Dengan demikian, adalah mungkin untuk menentukan gaya yang bekerja pada setiap benda hanya dengan menggunakan pengetahuan tentang muatan listrik benda dan jarak di antara mereka. Atas dasar ini, salah satu hukum dasar elektrodinamika dapat dirumuskan - hukum Coulomb.
Hukum Coulomb . Gaya yang bekerja pada benda titik tetap dengan muatan listrik di bidang benda titik tetap lainnya dengan muatan listrik sebanding dengan produk dari nilai-nilai muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.
Secara umum pengertian gaya yang dimaksud dalam rumusan hukum Coulomb, dapat ditulis seperti ini:
F=k. q 1 q 2 / r 2 ,
Dalam rumus untuk menghitung gaya interaksi, nilai muatan kedua benda ditulis. Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa kedua gaya adalah sama dalam modulus. Namun, dalam arah mereka berlawanan. Jika muatan benda-benda tersebut memiliki nama yang sama, benda-benda tersebut akan saling tolak (Gbr. 4.48). Jika muatan benda berbeda, maka benda tertarik (Gbr. 4.49). Akhirnya, Anda dapat menulis:
F̅ 1 = -F̅ 2 .
Persamaan yang direkam menegaskan validitas hukum III Newton tentang dinamika untuk interaksi listrik. Oleh karena itu, dalam salah satu formulasi umum hukum Coulomb mengatakan itu
gaya interaksi antara dua benda titik bermuatan sebanding dengan produk dari nilai-nilai muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.
Jika benda bermuatan berada dalam dielektrik, maka gaya interaksi akan bergantung pada permitivitas dielektrik ini
F =k.q 1q 2 /ε r2.
Untuk memudahkan perhitungan berdasarkan hukum Coulomb, nilai koefisien k ditulis berbeda:
k = 1 / 4πε 0 .
Nilai ε 0 ditelepon konstanta listrik. Nilainya dihitung menurut definisi:
9 . 10 9 N.m 2 / C 2 \u003d 1 / 4π ε 0 ,
ε 0 = (1 / 4π) . 9 . 10 9 N.m 2 / C 2 \u003d 8.85. 10 -12 C 2 /Nm 2 . bahan dari situs
Lewat sini, hukum Coulomb dalam kasus umum, dapat dinyatakan dengan rumus
F= (1 / 4π ε 0 ) . q 1 q 2 / ε r 2 .
Hukum Coulomb adalah salah satu hukum dasar alam. Semua elektrodinamika didasarkan padanya, dan tidak ada satu kasus pun yang dicatat ketika hukum Coulomb. Hanya ada satu batasan yang menyangkut tindakan hukum Coulomb pada berbagai jarak. Diyakini bahwa hukum Coulomb beroperasi pada jarak lebih dari 10 -16 m dan kurang dari beberapa kilometer.
Saat memecahkan masalah, perlu diperhitungkan bahwa hukum Coulomb menyangkut gaya interaksi benda bermuatan tak bergerak titik. Ini mengurangi semua masalah menjadi masalah tentang interaksi benda bermuatan yang tidak bergerak, di mana dua posisi statika digunakan:
- resultan dari semua gaya yang bekerja pada tubuh adalah nol;
- jumlah momen gaya sama dengan nol.
Di sebagian besar tugas untuk aplikasi hukum Coulomb itu cukup untuk memperhitungkan hanya posisi pertama.
Di halaman ini, materi tentang topik:
Tuliskan rumus hukum Coulomb
Abstrak Hukum Coulomb
Laporan fisika tentang topik hukum Coulomb
-
Muatan dan listrik adalah istilah yang wajib untuk kasus-kasus ketika interaksi benda bermuatan diamati. Kekuatan tolak-menolak dan tarik-menarik tampaknya memancar dari benda-benda bermuatan dan menyebar secara bersamaan ke segala arah, secara bertahap memudar di kejauhan. Gaya ini pernah ditemukan oleh naturalis Prancis terkenal Charles Coulomb, dan aturan yang dipatuhi oleh benda-benda bermuatan sejak itu disebut Hukum Coulomb.
Charles Liontin
Ilmuwan Prancis lahir di Prancis, di mana ia menerima pendidikan yang sangat baik. Dia secara aktif menerapkan pengetahuan yang diperoleh dalam ilmu teknik dan memberikan kontribusi yang signifikan pada teori mekanisme. Coulomb adalah penulis karya yang mempelajari pengoperasian kincir angin, statistik berbagai struktur, puntiran benang di bawah pengaruh kekuatan eksternal. Salah satu karya ini membantu menemukan hukum Coulomb-Amonton, yang menjelaskan proses gesekan.
Tetapi Charles Coulomb memberikan kontribusi utama dalam studi listrik statis. Eksperimen yang dilakukan ilmuwan Prancis ini membuatnya memahami salah satu hukum fisika yang paling mendasar. Kepadanyalah kita berhutang pengetahuan kita tentang sifat interaksi benda-benda bermuatan.
Latar Belakang
Gaya tarik-menarik dan tolak-menolak yang dengannya muatan listrik bekerja satu sama lain diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan benda-benda bermuatan. Dengan bertambahnya jarak, gaya ini melemah. Satu abad setelah Isaac Newton menemukan hukum gravitasi universal, ilmuwan Prancis C. Coulomb secara eksperimental menyelidiki prinsip interaksi antara benda bermuatan dan membuktikan bahwa sifat gaya semacam itu mirip dengan gaya gravitasi. Selain itu, ternyata, benda-benda yang berinteraksi dalam medan listrik berperilaku dengan cara yang sama seperti benda-benda bermassa dalam medan gravitasi.
Perangkat Coulomb
Skema perangkat yang digunakan Charles Coulomb untuk melakukan pengukuran ditunjukkan pada gambar:
Seperti yang Anda lihat, pada dasarnya desain ini tidak berbeda dengan perangkat yang pernah digunakan Cavendish untuk mengukur nilai konstanta gravitasi. Batang isolasi yang digantung pada seutas benang tipis diakhiri dengan bola logam, yang diberi muatan listrik tertentu. Bola logam lain didekati ke bola, dan kemudian, saat mendekat, gaya interaksi diukur dengan tingkat puntiran benang.
Percobaan Coulomb
Coulomb menyarankan bahwa Hukum Hooke yang dikenal saat itu dapat diterapkan pada gaya yang digunakan untuk memutar benang. Ilmuwan membandingkan perubahan gaya pada jarak yang berbeda dari satu bola dari yang lain dan menemukan bahwa gaya interaksi mengubah nilainya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara bola. Liontin itu berhasil mengubah nilai bola bermuatan dari q menjadi q/2, q/4, q/8 dan seterusnya. Dengan setiap perubahan muatan, gaya interaksi secara proporsional mengubah nilainya. Maka, lambat laun dirumuskan suatu aturan, yang kemudian disebut “Hukum Coulomb”.
Definisi
Secara eksperimental, ilmuwan Prancis membuktikan bahwa gaya yang berinteraksi dengan dua benda bermuatan sebanding dengan produk muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan. Pernyataan ini adalah hukum Coulomb. Dalam bentuk matematika, dapat dinyatakan sebagai berikut:
Dalam ungkapan ini:
- q adalah jumlah biaya;
- d adalah jarak antara benda bermuatan;
- k adalah konstanta listrik.
Nilai konstanta listrik sangat tergantung pada pilihan satuan ukuran. Dalam sistem modern, besarnya muatan listrik diukur dalam coulomb, dan konstanta listrik, masing-masing, dalam newton × m 2 / coulomb 2.
Pengukuran baru-baru ini menunjukkan bahwa koefisien ini harus memperhitungkan konstanta dielektrik media tempat eksperimen dilakukan. Sekarang nilai ditampilkan sebagai rasio k=k 1 /e, di mana k 1 adalah konstanta listrik yang sudah kita kenal, dan bukan merupakan indikator permitivitas. Dalam kondisi vakum, nilai ini sama dengan satu.
Kesimpulan dari hukum Coulomb
Ilmuwan bereksperimen dengan muatan berbeda, menguji interaksi antara benda dengan muatan berbeda. Tentu saja, dia tidak dapat mengukur muatan listrik dalam satuan apa pun - dia tidak memiliki pengetahuan maupun instrumen yang sesuai. Charles Coulomb mampu memisahkan proyektil dengan menyentuh bola bermuatan yang tidak bermuatan. Jadi dia menerima nilai pecahan dari muatan awal. Sejumlah percobaan telah menunjukkan bahwa muatan listrik adalah kekal, pertukaran berlangsung tanpa penambahan atau pengurangan jumlah muatan. Prinsip dasar ini membentuk dasar hukum kekekalan muatan listrik. Saat ini, telah dibuktikan bahwa hukum ini diamati baik dalam mikrokosmos partikel elementer maupun dalam makrokosmos bintang dan galaksi.
Syarat-syarat yang diperlukan untuk memenuhi hukum Coulomb
Agar hukum dapat dipenuhi dengan lebih akurat, kondisi berikut harus dipenuhi:
- Biaya harus poin. Dengan kata lain, jarak antara benda bermuatan yang diamati harus jauh lebih besar daripada ukurannya. Jika benda bermuatan berbentuk bola, maka kita dapat mengasumsikan bahwa semua muatan berada pada titik yang merupakan pusat bola.
- Benda yang akan diukur harus dalam keadaan diam. Jika tidak, muatan yang bergerak akan dipengaruhi oleh banyak faktor pihak ketiga, misalnya, gaya Lorentz, yang memberikan percepatan tambahan pada benda yang bermuatan. Serta medan magnet dari benda bermuatan yang bergerak.
- Benda yang diamati harus dalam keadaan vakum untuk menghindari pengaruh aliran massa udara terhadap hasil pengamatan.
Hukum Coulomb dan elektrodinamika kuantum
Dari sudut pandang elektrodinamika kuantum, interaksi benda bermuatan terjadi melalui pertukaran foton virtual. Keberadaan partikel yang tidak dapat diamati dan massa nol tetapi tidak bermuatan nol secara tidak langsung didukung oleh prinsip ketidakpastian. Menurut prinsip ini, foton virtual dapat eksis antara momen emisi partikel tersebut dan penyerapannya. Semakin kecil jarak antar benda, semakin sedikit waktu yang dihabiskan foton untuk melewati lintasan, oleh karena itu, semakin besar energi foton yang dipancarkan. Pada jarak kecil antara muatan yang diamati, prinsip ketidakpastian memungkinkan pertukaran partikel gelombang pendek dan gelombang panjang, dan pada jarak yang jauh, foton gelombang pendek tidak berpartisipasi dalam pertukaran.
Apakah ada batasan untuk penerapan hukum Coulomb?
Hukum Coulomb sepenuhnya menjelaskan perilaku dua muatan titik dalam ruang hampa. Tetapi ketika menyangkut benda nyata, kita harus memperhitungkan dimensi volumetrik benda bermuatan dan karakteristik media di mana pengamatan dilakukan. Sebagai contoh, beberapa peneliti telah mengamati bahwa benda yang membawa muatan kecil dan secara paksa dibawa ke medan listrik benda lain dengan muatan besar mulai tertarik ke muatan ini. Dalam kasus ini, pernyataan bahwa benda-benda yang bermuatan serupa saling tolak menolak, dan penjelasan lain untuk fenomena yang diamati harus dicari. Kemungkinan besar, kita tidak berbicara tentang pelanggaran hukum Coulomb atau prinsip kekekalan muatan listrik - ada kemungkinan bahwa kita mengamati fenomena yang belum sepenuhnya dipelajari sampai akhir, yang akan dapat dijelaskan oleh sains nanti. .
