O conceito de eletricidade. Eletrificação. Condutores, semicondutores e dielétricos. Carga elementar e suas propriedades. Lei de Coulomb. Força do campo elétrico. O princípio da superposição. Campo elétrico como manifestação de interação. Campo elétrico de um dipolo elementar.

O termo eletricidade vem da palavra grega elétron (âmbar).

A eletrização é o processo de transmissão de energia elétrica ao corpo.

carregar. Este termo foi introduzido no século 16 pelo cientista e médico inglês Gilbert.

CARGA ELÉTRICA É UM VALOR ESCALAR FÍSICO QUE CARACTERIZA AS PROPRIEDADES DOS CORPOS OU PARTÍCULAS A ENTRAR E INTERAÇÕES ELETROMAGNÉTICAS E DETERMINA A FORÇA E A ENERGIA DESTAS INTERAÇÕES.

Propriedades das cargas elétricas:

1. Na natureza, existem dois tipos de cargas elétricas. Positivo (aparece no vidro esfregado na pele) e negativo (aparece na ebonita esfregada na pele).

2. Cargas de mesmo nome se repelem, ao contrário de cargas que se atraem.

3. CARGA ELÉTRICA NÃO EXISTE SEM PARTÍCULAS DE TRANSPORTADORAS DE CARGA (elétron, próton, pósitron, etc.) Por exemplo, a carga e/ não pode ser removida de um elétron e de outras partículas elementares carregadas.

4. A carga elétrica é discreta, ou seja, a carga de qualquer corpo é um múltiplo inteiro de carga elétrica elementar e(e = 1,6 10-19C). Elétron (ou seja,= 9,11 10 -31 kg) e próton (p = 1,67 10 -27 kg) são respectivamente portadores de cargas elementares negativas e positivas. (As partículas com carga elétrica fracionária são conhecidas: – 1/3 e e 2/3 e- isto é quarks e antiquarks , mas não foram encontrados no estado livre).

5. Carga elétrica - magnitude relativisticamente invariante , Essa. não depende do referencial e, portanto, não depende se essa carga está em movimento ou em repouso.

6. A partir da generalização dos dados experimentais, lei fundamental da natureza - lei de conservação de carga: soma algébrica

ma cargas elétricas de qualquer sistema fechado(sistemas que não trocam cargas com entidades externas) permanece inalterado, não importa quais processos ocorram dentro deste sistema.

A lei foi confirmada experimentalmente em 1843 por um físico inglês

M. Faraday ( 1791-1867) e outros, confirmados pelo nascimento e aniquilação de partículas e antipartículas.

A unidade de carga elétrica (unidade derivada, como é determinada pela unidade de força da corrente) - pingente (C): 1 C - carga elétrica,

passando pela seção transversal do condutor com uma intensidade de corrente de 1 A por um tempo de 1 s.

Todos os corpos na natureza podem ser eletrificados; adquirir uma carga elétrica. A eletrificação de corpos pode ser realizada de várias maneiras: por contato (atrito), indução eletrostática

etc. Qualquer processo de carga é reduzido à separação de cargas, na qual um excesso de carga positiva aparece em um dos corpos (ou parte do corpo) e um excesso de carga negativa aparece no outro (ou outra parte) do corpo). O número total de cargas de ambos os signos contidos nos corpos não muda: essas cargas são apenas redistribuídas entre os corpos.

A eletrificação dos corpos é possível porque os corpos consistem em partículas carregadas. No processo de eletrificação de corpos, elétrons e íons que estão em estado livre podem se mover. Os prótons permanecem nos núcleos.

Dependendo da concentração de cargas livres, os corpos são divididos em condutores, dielétricos e semicondutores.

condutores- corpos nos quais a carga elétrica pode ser misturada em todo o seu volume. Os condutores são divididos em dois grupos:

1) condutores do primeiro tipo (metais) - transferência para

de cargas (elétrons livres) não é acompanhado por

transformações;

2) condutores do segundo tipo (por exemplo, sais fundidos,

gamas de ácidos) - a transferência de cargas neles (positivas e negativas

íons) leva a mudanças químicas.

Dielétricos(por exemplo, vidro, plástico) - corpos nos quais praticamente não há cobranças gratuitas.

Semicondutores (por exemplo, germânio, silício) ocupam

posição intermediária entre condutores e dielétricos. Essa divisão dos corpos é muito arbitrária, mas a grande diferença nas concentrações de cargas livres neles causa enormes diferenças qualitativas em seu comportamento e, portanto, justifica a divisão dos corpos em condutores, dielétricos e semicondutores.

ELETROSTÁTICA- a ciência dos encargos fixos

Lei de Coulomb.

Lei da interação ponto fixo cargas eletricas

Instalado experimentalmente em 1785 por Sh. Coulomb usando balanças de torção.

semelhantes às usadas por G. Cavendish para determinar a constante gravitacional (esta lei foi previamente descoberta por G. Cavendish, mas seu trabalho permaneceu desconhecido por mais de 100 anos).

carga pontual,é chamado de corpo ou partícula carregada, cujo tamanho pode ser desprezado, comparado com a distância a eles.

Lei de Coulomb: a força de interação entre duas cargas fixas localizadas no vácuo proporcional aos encargos q 1 e q2, e é inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre eles :

k - fator de proporcionalidade dependendo da escolha do sistema

no SI

Valor ε 0 chamado constante elétrica; isso se refere a

número constantes físicas fundamentais e é igual a:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2

Na forma vetorial, a lei de Coulomb no vácuo tem a forma:

onde é o raio vetor conectando a segunda carga com a primeira, F 12 é a força que atua da segunda carga sobre a primeira.

A precisão da implementação da lei de Coulomb em grandes distâncias, até

10 7 m, estabelecido durante o estudo do campo magnético usando satélites

no espaço próximo da Terra. A precisão de sua implementação em distâncias curtas, até 10 -17 m, verificado por experimentos sobre a interação de partículas elementares.

A lei de Coulomb no meio ambiente

Em todos os meios, a força da interação de Coulomb é menor que a força de interação no vácuo ou no ar. Uma quantidade física que mostra quantas vezes a força de interação eletrostática no vácuo é maior do que em um determinado meio, é chamada de permissividade do meio e é denotada pela letra ε.

ε = F no vácuo / F no meio

A lei de Coulomb na forma geral no SI:

Propriedades das forças de Coulomb.

1. As forças de Coulomb são forças do tipo central, porque dirigido ao longo de uma linha reta que liga as cargas

A força de Coulomb é uma força atrativa se os sinais das cargas forem diferentes e uma força repulsiva se os sinais das cargas forem os mesmos.

3. Para forças de Coulomb, a 3ª lei de Newton é válida

4. As forças de Coulomb obedecem ao princípio de independência ou superposição, porque a força de interação entre duas cargas puntiformes não mudará quando outras cargas aparecerem próximas. A força resultante da interação eletrostática agindo sobre uma dada carga é igual à soma vetorial das forças de interação de uma dada carga com cada carga do sistema separadamente.

F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N

As interações entre cargas são realizadas por meio de um campo elétrico. Um campo elétrico é uma forma especial da existência de matéria, através da qual a interação de cargas elétricas é realizada. O campo elétrico se manifesta pelo fato de atuar com força sobre qualquer outra carga introduzida neste campo. Um campo eletrostático é criado por cargas elétricas estacionárias e se propaga no espaço com uma velocidade finita c.

A característica de potência do campo elétrico é chamada de força.

tensão elétrica em algum ponto é chamada de grandeza física igual à razão da força com que o campo atua sobre uma carga de teste positiva colocada em um dado ponto para o módulo dessa carga.

A intensidade de campo de uma carga puntiforme q:

Princípio da superposição: a intensidade do campo elétrico criado pelo sistema de cargas em um dado ponto no espaço é igual à soma vetorial das intensidades dos campos elétricos criados neste ponto por cada carga separadamente (na ausência de outras cargas).

Nesta lição, cujo tema é “Lei de Coulomb”, falaremos sobre a própria lei de Coulomb, sobre o que são cargas puntiformes, e para consolidar o material vamos resolver vários problemas sobre este tema.

Tema da aula: "Lei de Coulomb". A lei de Coulomb descreve quantitativamente a interação de cargas pontuais fixas - isto é, cargas que estão em uma posição estática em relação umas às outras. Essa interação é chamada de eletrostática ou elétrica e faz parte da interação eletromagnética.

Interação eletromagnética

Claro, se as cargas estão em movimento, elas também interagem. Essa interação é chamada de magnética e é descrita na seção de física chamada "Magnetismo".

Deve ser entendido que "eletrostática" e "magnetismo" são modelos físicos e, juntos, descrevem a interação de cargas móveis e estacionárias uma em relação à outra. E tudo junto é chamado de interação eletromagnética.

A interação eletromagnética é uma das quatro interações fundamentais que existem na natureza.

Carga elétrica

O que é uma carga elétrica? As definições nos livros didáticos e na Internet nos dizem que a carga é uma grandeza escalar que caracteriza a intensidade da interação eletromagnética dos corpos. Ou seja, a interação eletromagnética é a interação de cargas, e a carga é uma quantidade que caracteriza a interação eletromagnética. Parece confuso - os dois conceitos são definidos um pelo outro. Vamos descobrir!

A existência de interação eletromagnética é um fato natural, algo como um axioma em matemática. As pessoas notaram e aprenderam a descrevê-lo. Para isso, eles introduziram quantidades convenientes que caracterizam esse fenômeno (incluindo carga elétrica) e construíram modelos matemáticos (fórmulas, leis etc.) que descrevem essa interação.

Lei de Coulomb

A lei de Coulomb fica assim:

A força de interação de duas cargas elétricas de ponto fixo no vácuo é diretamente proporcional ao produto de seus módulos e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. Ela é direcionada ao longo da linha reta que conecta as cargas e é uma força atrativa se as cargas forem opostas e uma força repulsiva se as cargas tiverem o mesmo nome.

Coeficiente k na lei de Coulomb é numericamente igual a:

Analogia com interação gravitacional

A lei da gravitação universal diz: todos os corpos com massa são atraídos uns pelos outros. Essa interação é chamada gravitacional. Por exemplo, a força da gravidade com a qual somos atraídos para a Terra é um caso especial precisamente da interação gravitacional. Afinal, tanto nós quanto a Terra temos massa. A força da interação gravitacional é diretamente proporcional ao produto das massas dos corpos que interagem e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

O coeficiente γ é chamado de constante gravitacional.

Numericamente é igual a: .

Como você pode ver, a forma das expressões que descrevem quantitativamente as interações gravitacionais e eletrostáticas é muito semelhante.

Nos numeradores de ambas as expressões - o produto das unidades que caracterizam este tipo de interação. Para cargas gravitacionais - são massas, para cargas eletromagnéticas. Nos denominadores de ambas as expressões - o quadrado da distância entre os objetos de interação.

A relação inversa com o quadrado da distância é frequentemente encontrada em muitas leis físicas. Isso nos permite falar de um padrão geral que relaciona a magnitude do efeito ao quadrado da distância entre os objetos de interação.

Essa proporcionalidade é válida para interações gravitacionais, elétricas, magnéticas, força do som, luz, radiação, etc.

Isso é explicado pelo fato de que a área de superfície da esfera de propagação do efeito aumenta proporcionalmente ao quadrado do raio (veja a Fig. 1).

Arroz. 1. Aumentando a área de superfície das esferas

Vai parecer natural se você lembrar que a área de uma esfera é proporcional ao quadrado do raio:

Fisicamente, isso significa que a força de interação de duas cargas puntiformes fixas de 1 C, localizadas a uma distância de 1 m uma da outra no vácuo, será igual a 9,10 9 N (ver Fig. 2).

Arroz. 2. Força de interação de duas cargas puntiformes em 1 C

Parece que esse poder é enorme. Mas deve-se entender que sua ordem está associada a outra característica - o valor da carga de 1 C. Na prática, corpos carregados com os quais interagimos na vida cotidiana têm uma carga da ordem de micro ou mesmo nanocoulombs.

Coeficientee constante elétrica

Às vezes, em vez de um coeficiente, é utilizada outra constante que caracteriza a interação eletrostática, que é chamada de “constante elétrica”. Ela é designada. Está relacionado com o coeficiente da seguinte forma:

Ao realizar transformações matemáticas simples, você pode expressá-lo e calculá-lo:

Ambas as constantes, é claro, estão presentes nas tabelas dos livros de problemas. A lei de Coulomb então assume a seguinte forma:

Vamos prestar atenção a alguns pontos sutis.

É importante entender que estamos falando de interação. Ou seja, se pegarmos duas cargas, cada uma delas atuará sobre a outra com uma força igual em módulo. Essas forças serão direcionadas em direções opostas ao longo da linha reta que conecta as cargas puntiformes.

As cargas se repelem se tiverem o mesmo sinal (ambos positivos ou ambos negativos (veja a Fig. 3)) e se atraem se tiverem sinais diferentes (um negativo, o outro positivo (veja a Fig. 4)).

Arroz. 3. Interação de cargas semelhantes

Arroz. 4. Interação de cargas diferentes

carga pontual

O termo "carga pontual" está presente na formulação da lei de Coulomb. O que isto significa? Considere a mecânica. Investigando, por exemplo, o movimento de um trem entre cidades, negligenciamos suas dimensões. Afinal, o tamanho do trem é centenas ou milhares de vezes menor que a distância entre as cidades (veja a Fig. 5). Em tal problema, consideramos o trem "ponto material" - um corpo, cujas dimensões, no âmbito da resolução de um determinado problema, podemos negligenciar.

Arroz. 5. Neste caso, desprezamos as dimensões do trem

Então aqui está cargas pontuais são pontos materiais que têm uma carga. Na prática, usando a lei de Coulomb, desprezamos o tamanho dos corpos carregados em comparação com as distâncias entre eles. Se as dimensões dos corpos carregados forem comparáveis ​​à distância entre eles, devido à redistribuição da carga dentro dos corpos, a interação eletrostática será mais complexa.

Nos vértices de um hexágono regular com um lado, as cargas são colocadas uma após a outra. Encontre a força que atua sobre a carga localizada no centro do hexágono (veja a Fig. 6).

Arroz. 6. Desenho para a condição do problema 1

Vamos raciocinar: a carga localizada no centro do hexágono irá interagir com cada uma das cargas localizadas nos vértices do hexágono. Dependendo dos sinais, esta será a força de atração ou a força de repulsão. Com as cargas 1, 2 e 3 sendo positivas, a carga no centro sofrerá uma repulsão eletrostática (veja a Figura 7).

Arroz. 7. Repulsão eletrostática

E com as cargas 4, 5 e 6 (negativas), a carga no centro terá uma atração eletrostática (veja a Fig. 8).

Arroz. 8. Atração eletrostática

A força total que atua sobre a carga localizada no centro do hexágono será a resultante das forças ,,,, e o módulo de cada uma delas pode ser encontrado usando a lei de Coulomb. Vamos começar a resolver o problema.

Solução

A força de interação da carga, localizada no centro, com cada uma das cargas nos vértices depende dos módulos das próprias cargas e da distância entre elas. A distância dos vértices ao centro de um hexágono regular é a mesma, os módulos das cargas que interagem no nosso caso também são iguais (veja a Fig. 9).

Arroz. 9. As distâncias dos vértices ao centro em um hexágono regular são iguais

Isso significa que todas as forças de interação da carga no centro do hexágono com as cargas nos vértices serão iguais em valor absoluto. Usando a lei de Coulomb, podemos encontrar este módulo:

A distância do centro ao vértice em um hexágono regular é igual ao comprimento do lado do hexágono regular, que conhecemos da condição, portanto:

Agora precisamos encontrar a soma vetorial - para isso, escolhemos um sistema de coordenadas: o eixo é ao longo da força e o eixo é perpendicular (veja a Fig. 10).

Arroz. 10. Seleção de eixos

Vamos encontrar as projeções totais nos eixos - simplesmente denotamos o módulo de cada um deles.

Uma vez que as forças e são co-dirigidas com o eixo, mas fazem um ângulo com o eixo (ver Fig. 11).

Vamos fazer o mesmo para o eixo:

O sinal "-" - porque as forças e são direcionadas na direção oposta do eixo. Ou seja, a projeção da força total no eixo que escolhemos será igual a 0. Acontece que a força total atuará apenas ao longo do eixo, resta substituir aqui apenas as expressões para o módulo da interação forças ee obter a resposta. A força total será igual a:

Problema resolvido.

Outro ponto sutil é este: a lei de Coulomb diz que as cargas estão no vácuo (veja a Fig. 12).

Arroz. 12. Interação de cargas no vácuo

Esta é uma nota muito importante. Porque em um meio diferente do vácuo, a força da interação eletrostática será enfraquecida (veja a Fig. 13).

Arroz. 13. Interação de cargas em um meio diferente do vácuo

Para ter em conta este fator, foi introduzido um valor especial no modelo eletrostático, que permite fazer uma “correção para o meio”. É chamada de constante dielétrica do meio. É denotado, como a constante elétrica, pela letra grega "épsilon", mas sem índice.

O significado físico desta quantidade é o seguinte.

A força de interação eletrostática de duas cargas puntiformes fixas em um meio diferente do vácuo será ε vezes menor que a força de interação das mesmas cargas à mesma distância no vácuo.

Assim, em um meio diferente do vácuo, a força da interação eletrostática de duas cargas estacionárias pontuais será igual a:

Os valores da permissividade de várias substâncias foram encontrados e coletados em tabelas especiais (veja a Fig. 14).

Arroz. 14. Constante dielétrica de algumas substâncias

Podemos usar livremente os valores tabulares da permissividade das substâncias que precisamos na resolução de problemas.

É importante entender que ao resolver problemas, a força de interação eletrostática é considerada e descrita nas equações da dinâmica como uma força ordinária. Vamos resolver o problema.

Duas esferas carregadas idênticas estão suspensas em um meio com constante dielétrica em fios de mesmo comprimento, fixados em um ponto. Determine o módulo de carga das esferas se as roscas estiverem em ângulos retos entre si (veja a Fig. 15). O tamanho das bolas é insignificante em comparação com a distância entre elas. As massas das bolas são iguais.

Arroz. 15. Desenho para a condição do problema 2

Vamos raciocinar: três forças atuarão em cada uma das bolas - gravidade; força de interação eletrostática e força de tensão da linha (ver Fig. 16).

Arroz. 16. Forças que atuam nas bolas

Por condição, as bolas são as mesmas, ou seja, suas cargas são iguais tanto em magnitude quanto em sinal, o que significa que a força de interação eletrostática neste caso será a força repulsiva (na Fig. 16, as forças de interação eletrostática são direcionadas em diferentes direções). Como o sistema está em equilíbrio, usaremos a primeira lei de Newton:

Como a condição diz que as bolas estão suspensas em um meio com constante dielétrica, e o tamanho das bolas é desprezível em comparação com a distância entre elas, então, de acordo com a lei de Coulomb, a força com que as bolas se repelirão será igual para:

Solução

Vamos escrever a primeira lei de Newton em projeções nos eixos coordenados. Direcionamos o eixo horizontalmente e o eixo verticalmente (veja a Fig. 17).

Duas cargas puntiformes atuam uma sobre a outra com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas e diretamente proporcional ao produto de suas cargas (independentemente do sinal das cargas)

Em diferentes meios, como ar e água, duas cargas pontuais interagem com diferentes intensidades. A permissividade relativa do meio caracteriza essa diferença. Este é um valor tabular conhecido. Para ar.

A constante k é definida como

Direção da força de Coulomb

De acordo com a terceira lei de Newton, forças da mesma natureza surgem em pares, iguais em magnitude, opostas em direção. Se duas cargas desiguais interagem, a força com que a carga maior age sobre a menor (B sobre A) é igual à força com que a menor age sobre a maior (A sobre B).

Curiosamente, as várias leis da física têm algumas características comuns. Vamos lembrar a lei da gravidade. A força da gravidade também é inversamente proporcional ao quadrado da distância, mas já entre as massas, e surge involuntariamente o pensamento de que esse padrão tem um significado profundo. Até agora, ninguém foi capaz de apresentar gravidade e eletricidade como duas manifestações diferentes da mesma essência.

A força aqui também varia inversamente com o quadrado da distância, mas a diferença na magnitude das forças elétricas e das forças gravitacionais é impressionante. Ao tentar estabelecer a natureza comum da gravidade e da eletricidade, encontramos tal superioridade das forças elétricas sobre as forças gravitacionais que é difícil acreditar que ambas tenham a mesma fonte. Como você pode dizer que um é mais forte que o outro? Afinal, tudo depende de qual é a massa e qual é a carga. Discutindo sobre a força da gravidade, você não tem o direito de dizer: "Vamos pegar uma massa de tal e tal tamanho", porque você mesmo a escolhe. Mas se tomarmos o que a própria Natureza nos oferece (seus próprios números e medidas, que nada têm a ver com nossos centímetros, anos, nossas medidas), então podemos comparar. Tomaremos uma partícula elementar carregada, como, por exemplo, um elétron. Duas partículas elementares, dois elétrons, devido à carga elétrica se repelem com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, e devido à gravidade eles são atraídos um pelo outro novamente com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. distância.

Pergunta: Qual é a razão entre a força gravitacional e a força elétrica? A gravitação está relacionada à repulsão elétrica como um está relacionado a um número com 42 zeros. Isso é profundamente intrigante. De onde poderia vir um número tão grande?

As pessoas estão procurando esse enorme fator em outros fenômenos naturais. Eles passam por todos os tipos de números grandes, e se você quiser um número grande, por que não pegar, digamos, a razão entre o diâmetro do universo e o diâmetro de um próton - surpreendentemente, esse também é um número com 42 zeros. E eles dizem: talvez esse coeficiente seja igual à razão entre o diâmetro do próton e o diâmetro do universo? Este é um pensamento interessante, mas à medida que o universo se expande gradualmente, a constante da gravidade também deve mudar. Embora essa hipótese ainda não tenha sido refutada, não temos evidências a seu favor. Pelo contrário, algumas evidências sugerem que a constante de gravidade não mudou dessa maneira. Este grande número permanece um mistério até hoje.

Sabe-se que todo corpo carregado possui um campo elétrico. Também pode-se argumentar que se existe um campo elétrico, então existe um corpo carregado ao qual esse campo pertence. Então, se houver dois corpos carregados com cargas elétricas próximos, podemos dizer que cada um deles está no campo elétrico de um corpo vizinho. E neste caso, a força atuará no primeiro corpo

F1 =q 1E 2 ,

Onde q 1é a carga do primeiro corpo; E 2- intensidade de campo do segundo corpo. No segundo corpo, respectivamente, a força atuará

F2 =q2E1,

Onde q2é a carga do primeiro corpo; E 1- intensidade de campo do segundo corpo.

Um corpo eletricamente carregado interage com o campo elétrico de outro corpo carregado.

Se esses corpos são pequenos (tipo pontos), então

E1 =k. q 1 / r 2 ,

E2 =k.q 2 /r2,

As forças que atuam em cada um dos corpos carregados em interação podem ser calculadas conhecendo apenas suas cargas e a distância entre elas.

Substitua os valores de tensão e obtenha

F 1 \u003d k. q 1 q 2 / r 2 e F 2 \u003d k. q 2 q 1 / r 2 .

O valor de cada força é expresso apenas através do valor das cargas de cada corpo e da distância entre eles. Assim, é possível determinar as forças que atuam em cada corpo utilizando apenas o conhecimento das cargas elétricas dos corpos e da distância entre eles. Com base nisso, uma das leis fundamentais da eletrodinâmica pode ser formulada - lei de Coulomb.

Lei de Coulomb . A força que atua sobre um corpo de ponto fixo com carga elétrica no campo de outro corpo de ponto fixo com carga elétrica é proporcional ao produto dos valores de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

Em termos gerais, o significado da força referida na formulação lei de Coulomb, pode ser escrito assim:

F=k. q 1 q 2 / r 2 ,

Na fórmula para calcular a força de interação, os valores das cargas de ambos os corpos são escritos. Portanto, podemos concluir que ambas as forças são iguais em módulo. No entanto, na direção eles são opostos. Se as cargas dos corpos tiverem o mesmo nome, os corpos se repelem (Fig. 4.48). Se as cargas dos corpos são diferentes, então os corpos são atraídos (Fig. 4.49). Por fim, você pode escrever:

F̅ 1 = -F 2 .

A igualdade registrada confirma a validade da III lei da dinâmica de Newton para interações elétricas. Portanto, em uma das formulações comuns lei de Coulomb diz que

a força de interação entre dois corpos puntiformes carregados é proporcional ao produto dos valores de suas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

Se os corpos carregados estiverem em um dielétrico, então a força de interação dependerá da permissividade desse dielétrico.

F=k.q 1q 2 /ε r2.

Para conveniência de cálculos baseados na lei de Coulomb, o valor do coeficiente k escrito de forma diferente:

k = 1/4πε 0 .

Valor ε 0 chamado constante elétrica. Seu valor é calculado de acordo com a definição:

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 C2/N.m2. materiais do site

Nesse caminho, lei de Coulomb no caso geral, pode ser expresso pela fórmula

F= (1 / 4π ε 0 ). q 1 q 2 / ε r 2 .

Lei de Coulombé uma das leis fundamentais da natureza. Toda a eletrodinâmica é baseada nele, e nem um único caso foi observado quando o lei de Coulomb. Há apenas uma restrição que diz respeito à ação lei de Coulomb em várias distâncias. Acredita-se que lei de Coulomb opera a distâncias superiores a 10 -16 me menos de alguns quilómetros.

Ao resolver problemas, é necessário levar em conta que a lei de Coulomb diz respeito às forças de interação de corpos carregados imóveis pontuais. Isso reduz todos os problemas a problemas sobre a interação de corpos carregados imóveis, em que duas posições de estática são usadas:

1. a resultante de todas as forças que atuam sobre o corpo é zero;
2. a soma dos momentos das forças é igual a zero.

Na grande maioria das tarefas para a aplicação lei de Coulomb basta levar em conta apenas a primeira posição.

Nesta página, material sobre os temas:

• Escreva a fórmula da lei de Coulomb

• Resumo da lei de Coulomb

• Relatório de física sobre o tema lei de Coulomb

• Cargas e eletricidade são termos obrigatórios para os casos em que se observa a interação de corpos carregados. As forças de repulsão e atração parecem emanar de corpos carregados e se espalham simultaneamente em todas as direções, desaparecendo gradualmente à distância. Essa força já foi descoberta pelo famoso naturalista francês Charles Coulomb, e a regra que os corpos carregados obedecem tem sido chamada de Lei de Coulomb.

  Pingente Carlos

  O cientista francês nasceu na França, onde recebeu uma excelente educação. Ele aplicou ativamente os conhecimentos adquiridos em ciências da engenharia e fez uma contribuição significativa para a teoria dos mecanismos. Coulomb é o autor de obras que estudaram o funcionamento de moinhos de vento, as estatísticas de várias estruturas, a torção de fios sob a influência de forças externas. Um desses trabalhos ajudou a descobrir a lei de Coulomb-Amonton, que explica os processos de atrito.

  

  Mas Charles Coulomb fez a principal contribuição para o estudo da eletricidade estática. As experiências que este cientista francês conduziu levaram-no a compreender uma das leis mais fundamentais da física. É a ele que devemos nosso conhecimento da natureza da interação dos corpos carregados.

  fundo

  As forças de atração e repulsão com as quais as cargas elétricas agem umas sobre as outras são direcionadas ao longo da linha reta que conecta os corpos carregados. À medida que a distância aumenta, essa força enfraquece. Um século depois que Isaac Newton descobriu sua lei universal da gravidade, o cientista francês C. Coulomb investigou experimentalmente o princípio da interação entre corpos carregados e provou que a natureza de tal força é semelhante às forças da gravidade. Além disso, como se viu, os corpos que interagem em um campo elétrico se comportam da mesma maneira que quaisquer corpos com massa em um campo gravitacional.

  dispositivo Coulomb

  O esquema do dispositivo com o qual Charles Coulomb fez suas medições é mostrado na figura:

  

  Como você pode ver, em essência, esse design não difere do dispositivo que Cavendish usou para medir o valor da constante gravitacional. Uma haste isolante suspensa em um fio fino termina com uma bola de metal, que recebe uma certa carga elétrica. Outra bola de metal é aproximada da bola e então, à medida que se aproxima, a força de interação é medida pelo grau de torção do fio.

  Experiência Coulomb

  Coulomb sugeriu que a então conhecida Lei de Hooke pode ser aplicada à força com que o fio é torcido. O cientista comparou a mudança de força em diferentes distâncias de uma bola a outra e descobriu que a força de interação muda seu valor inversamente com o quadrado da distância entre as bolas. O pingente conseguiu alterar os valores da bola carregada de q para q/2, q/4, q/8 e assim por diante. A cada mudança de carga, a força de interação mudava proporcionalmente seu valor. Assim, aos poucos, foi formulada uma regra, que mais tarde foi chamada de “Lei de Coulomb”.

  Definição

  Experimentalmente, o cientista francês provou que as forças com as quais dois corpos carregados interagem são proporcionais ao produto de suas cargas e inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre as cargas. Esta afirmação é a lei de Coulomb. Em forma matemática, pode ser expresso da seguinte forma:

  

  Nesta expressão:

  • q é a quantidade de carga;
  • d é a distância entre corpos carregados;
  • k é a constante elétrica.

  O valor da constante elétrica depende em grande parte da escolha da unidade de medida. No sistema moderno, a magnitude da carga elétrica é medida em coulombs e a constante elétrica, respectivamente, em newton × m 2 / coulomb 2.

  Medições recentes mostraram que este coeficiente deve levar em conta a constante dielétrica do meio em que o experimento é realizado. Agora o valor é mostrado como a razão k=k 1 /e, onde k 1 é a constante elétrica já familiar para nós, e não é um indicador da permissividade. Sob condições de vácuo, este valor é igual à unidade.

  Conclusões da lei de Coulomb

  O cientista experimentou cargas diferentes, testando a interação entre corpos com cargas diferentes. Claro, ele não podia medir a carga elétrica em nenhuma unidade - ele não tinha conhecimento nem instrumentos apropriados. Charles Coulomb foi capaz de separar o projétil tocando a bola carregada sem carga. Então ele recebeu valores fracionários da cobrança inicial. Vários experimentos mostraram que a carga elétrica é conservada, a troca ocorre sem aumento ou diminuição na quantidade de carga. Este princípio fundamental formou a base da lei de conservação da carga elétrica. Atualmente, está provado que esta lei é observada tanto no microcosmo das partículas elementares quanto no macrocosmo das estrelas e galáxias.

  Condições necessárias para o cumprimento da lei de Coulomb

  

  Para que a lei seja cumprida com maior exatidão, as seguintes condições devem ser atendidas:

  • As cobranças devem ser pontuais. Em outras palavras, a distância entre os corpos carregados observados deve ser muito maior do que seus tamanhos. Se os corpos carregados são esféricos, podemos supor que toda a carga está em um ponto que é o centro da esfera.
  • Os corpos a serem medidos devem estar estacionários. Caso contrário, a carga em movimento será influenciada por vários fatores de terceiros, por exemplo, a força de Lorentz, que fornece aceleração adicional ao corpo carregado. Assim como o campo magnético de um corpo carregado em movimento.
  • Os corpos observados devem estar no vácuo para evitar a influência dos fluxos de massa de ar nos resultados das observações.

  Lei de Coulomb e eletrodinâmica quântica

  Do ponto de vista da eletrodinâmica quântica, a interação de corpos carregados ocorre através da troca de fótons virtuais. A existência de tais partículas não observáveis ​​e massa zero, mas não carga zero, é indiretamente apoiada pelo princípio da incerteza. De acordo com este princípio, um fóton virtual pode existir entre os momentos de emissão de tal partícula e sua absorção. Quanto menor a distância entre os corpos, menos tempo o fóton gasta na passagem do caminho, portanto, maior a energia dos fótons emitidos. A uma pequena distância entre as cargas observadas, o princípio da incerteza permite a troca de partículas de ondas curtas e de ondas longas e, a grandes distâncias, os fótons de ondas curtas não participam da troca.

  

  Existem limites para a aplicação da lei de Coulomb

  A lei de Coulomb explica completamente o comportamento de duas cargas puntiformes no vácuo. Mas quando se trata de corpos reais, deve-se levar em conta as dimensões volumétricas dos corpos carregados e as características do meio em que a observação é feita. Por exemplo, alguns pesquisadores observaram que um corpo que carrega uma pequena carga e é forçado a entrar no campo elétrico de outro objeto com uma grande carga começa a ser atraído por essa carga. Nesse caso, a afirmação de que corpos com cargas semelhantes se repelem falha, e outra explicação para o fenômeno observado deve ser buscada. Muito provavelmente, não estamos falando de uma violação da lei de Coulomb ou do princípio de conservação da carga elétrica - é possível que estejamos observando fenômenos que não foram totalmente estudados até o fim, que a ciência poderá explicar um pouco mais tarde .