Pojem elektriny. Elektrifikácia. Vodiče, polovodiče a dielektrika. Elementárny náboj a jeho vlastnosti. Coulombov zákon. Intenzita elektrického poľa. Princíp superpozície. Elektrické pole ako prejav interakcie. Elektrické pole elementárneho dipólu.
Pojem elektrina pochádza z gréckeho slova elektrón (jantár).
Elektrizácia je proces prenosu elektrickej energie do tela.
poplatok. Tento termín zaviedol v 16. storočí anglický vedec a lekár Gilbert.
ELEKTRICKÝ NÁBOJ JE FYZIKÁLNA SKALÁRNA HODNOTA, KTORÁ CHARAKTERIZUJE VLASTNOSTI TELÁ ALEBO ČASTÍC DO VSTUPU A ELEKTROMAGNETICKÉ INTERAKCIE A URČUJE SILU A ENERGIU TÝCHTO INTERAKCIÍ.
Vlastnosti elektrických nábojov:
1. V prírode existujú dva typy elektrických nábojov. Pozitívny (objaví sa na skle otretom o kožu) a negatívny (objaví sa na ebonite otretom o srsť).
2. Rovnomenné náboje odpudzujú, na rozdiel od nábojov priťahujú.
3. Elektrický náboj NEEXISTUJE BEZ ČASTÍC NOSIČOV NÁBOJE (elektrón, protón, pozitrón atď.) Napríklad e/ náboj nemožno odstrániť z elektrónu a iných elementárnych nabitých častíc.
4. Elektrický náboj je diskrétny, t.j. náboj akéhokoľvek telesa je celočíselným násobkom elementárny elektrický náboj e(e = 1,6 ± 19 °C). Elektrón (t.j.= 9,11 10 -31 kg) a protón (t p = 1,67 10 -27 kg) sú nositeľmi elementárneho záporného a kladného náboja (známe sú častice s čiastkovým elektrickým nábojom: – 1/3 e a 2/3 e - toto je kvarky a antikvarky , ale neboli nájdené v slobodnom stave).
5. Elektrický náboj - veľkosť relativisticky invariantný , tie. nezávisí od vzťažnej sústavy, a teda nezávisí od toho, či sa tento náboj pohybuje alebo je v pokoji.
6. Zo zovšeobecnenia experimentálnych údajov, základný zákon prírody - zákon zachovania náboja: algebraický súčet
ma elektrické náboje akéhokoľvek uzavretého systému(systémy, ktoré si nevymieňajú poplatky s externými orgánmi) zostáva nezmenený, bez ohľadu na to, aké procesy prebiehajú v rámci tohto systému.
Zákon bol experimentálne potvrdený v roku 1843 anglickým fyzikom
M. Faraday ( 1791-1867) a ďalšie, potvrdené zrodom a zničením častíc a antičastíc.
Jednotka elektrického náboja (odvodená jednotka, pretože je určená jednotkou sily prúdu) - prívesok (C): 1 C - elektrický náboj,
prechádzajúci prierezom vodiča pri sile prúdu 1 A po dobu 1 s.
Všetky telá v prírode sú schopné byť elektrifikované; získať elektrický náboj. Elektrifikácia telies sa môže uskutočňovať rôznymi spôsobmi: kontaktom (trením), elektrostatickou indukciou
Akýkoľvek proces nabíjania sa redukuje na oddelenie nábojov, pri ktorom sa na jednom z telies (alebo časti tela) objaví prebytok kladného náboja a na druhom (alebo inej časti) sa objaví prebytok záporného náboja. tela). Celkový počet nábojov oboch znamení obsiahnutých v telách sa nemení: tieto náboje sa iba prerozdeľujú medzi telá.
Elektrifikácia telies je možná, pretože telesá pozostávajú z nabitých častíc. V procese elektrifikácie telies sa môžu elektróny a ióny, ktoré sú vo voľnom stave, pohybovať. Protóny zostávajú v jadrách.
V závislosti od koncentrácie voľných nábojov sa telá delia na vodiče, dielektrika a polovodiče.
vodičov- telesá, v ktorých sa elektrický náboj môže premiešať v celom ich objeme. Vodiče sú rozdelené do dvoch skupín:
1) vodiče prvého druhu (kovy) - prevod do
nábojov (voľných elektrónov) nie je sprevádzaná chem
transformácie;
2) vodiče druhého druhu (napríklad roztavené soli,
kyslé rozsahy) - prenos nábojov v nich (pozitívnych a negatívnych
ióny) vedie k chemickým zmenám.
Dielektrika(napríklad sklo, plasty) - telesá, v ktorých prakticky neexistujú žiadne bezplatné poplatky.
Polovodiče (napr. germánium, kremík) obsadiť
stredná poloha medzi vodičmi a dielektrikami. Toto delenie telies je veľmi ľubovoľné, no veľký rozdiel v koncentráciách voľných nábojov v nich spôsobuje obrovské kvalitatívne rozdiely v ich správaní a preto odôvodňuje delenie telies na vodiče, dielektrika a polovodiče.
ELEKTROSTATIKA- náuka o pevných poplatkoch
Coulombov zákon.
Zákon interakcie pevný bod elektrické náboje
Experimentálne inštalované v roku 1785 Sh. Coulombom pomocou torzných váh.
podobné tým, ktoré použil G. Cavendish na určenie gravitačnej konštanty (tento zákon už predtým objavil G. Cavendish, ale jeho práca zostala neznáma viac ako 100 rokov).
bodový poplatok, sa nazýva nabité teleso alebo častica, ktorých veľkosť v porovnaní so vzdialenosťou k nim možno zanedbať.
Coulombov zákon: sila interakcie medzi dvoma umiestnenými pevnými bodovými nábojmi vo vákuuúmerné poplatkom q 1 a q2, a je nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti r medzi nimi :
k - faktor proporcionality v závislosti od výberu systému
v SI 
Hodnota ε 0 volal elektrická konštanta; odkazuje na
číslo základné fyzikálne konštanty a rovná sa:
ε 0 = 8,85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2
Vo vektorovej forme má Coulombov zákon vo vákuu tvar:
kde je vektor polomeru spájajúci druhý náboj s prvým, F 12 je sila pôsobiaca z druhého náboja na prvý.
Presnosť implementácie Coulombovho zákona na veľké vzdialenosti, až
10 7 m, vytvorený počas štúdia magnetického poľa pomocou satelitov
v blízkozemskom priestore. Presnosť jeho realizácie na krátke vzdialenosti, až 10 -17 m, overené pokusmi o interakcii elementárnych častíc.
Coulombov zákon v životnom prostredí
Vo všetkých médiách je sila Coulombovej interakcie menšia ako sila interakcie vo vákuu alebo vo vzduchu. Fyzikálna veličina, ktorá ukazuje, koľkokrát je sila elektrostatickej interakcie vo vákuu väčšia ako v danom prostredí, sa nazýva permitivita prostredia a označuje sa písmenom ε.
ε = F vo vákuu / F v médiu
Coulombov zákon vo všeobecnej forme v SI:
Vlastnosti Coulombových síl.
1. Coulombovské sily sú sily centrálneho typu, pretože smerované pozdĺž priamky spájajúcej náboje
Coulombova sila je príťažlivá sila, ak sú znaky nábojov odlišné, a odpudivá sila, ak sú znaky nábojov rovnaké.
3. Pre Coulombove sily platí 3. Newtonov zákon
4. Coulombovské sily sa riadia princípom nezávislosti alebo superpozície, pretože sila interakcie medzi dvoma bodovými nábojmi sa nezmení, keď sa v blízkosti objavia iné náboje. Výsledná sila elektrostatickej interakcie pôsobiaca na daný náboj sa rovná vektorovému súčtu síl interakcie daného náboja s každým nábojom sústavy zvlášť.
F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N
Interakcie medzi nábojmi sa uskutočňujú pomocou elektrického poľa. Elektrické pole je špeciálna forma existencie hmoty, prostredníctvom ktorej sa uskutočňuje interakcia elektrických nábojov. Elektrické pole sa prejavuje tým, že pôsobí silou na akýkoľvek iný náboj vnesený do tohto poľa. Elektrostatické pole je vytvárané stacionárnymi elektrickými nábojmi a šíri sa v priestore konečnou rýchlosťou c.
Výkonová charakteristika elektrického poľa sa nazýva sila.
napätie elektrický v určitom bode sa nazýva fyzikálna veličina rovnajúca sa pomeru sily, ktorou pole pôsobí na kladný skúšobný náboj umiestnený v danom bode, k modulu tohto náboja.
Sila poľa bodového náboja q:
Princíp superpozície: sila elektrického poľa vytvoreného sústavou nábojov v danom bode priestoru sa rovná vektorovému súčtu síl elektrických polí vytvorených v tomto bode každým nábojom zvlášť (pri absencii iných nábojov).
V tejto lekcii, ktorej témou je „Coulombov zákon“, budeme hovoriť o samotnom Coulombovom zákone, o tom, čo sú bodové poplatky, a na konsolidáciu materiálu vyriešime niekoľko problémov na túto tému.
Téma hodiny: "Coulombov zákon". Coulombov zákon kvantitatívne popisuje interakciu pevných bodových nábojov – teda nábojov, ktoré sú voči sebe v statickej polohe. Táto interakcia sa nazýva elektrostatická alebo elektrická a je súčasťou elektromagnetickej interakcie.
Elektromagnetická interakcia
Samozrejme, ak sú nálože v pohybe, tiež interagujú. Táto interakcia sa nazýva magnetická a je popísaná v časti fyziky s názvom „Magnetizmus“.
Malo by sa chápať, že "elektrostatika" a "magnetizmus" sú fyzikálne modely a spolu opisujú vzájomné pôsobenie pohybujúcich sa a stacionárnych nábojov. A to všetko dohromady sa nazýva elektromagnetická interakcia.
Elektromagnetická interakcia je jednou zo štyroch základných interakcií, ktoré existujú v prírode.
Nabíjačka
Čo je elektrický náboj? Definície v učebniciach a na internete nám hovoria, že náboj je skalárna veličina, ktorá charakterizuje intenzitu elektromagnetickej interakcie telies. To znamená, že elektromagnetická interakcia je interakcia nábojov a náboj je veličina, ktorá charakterizuje elektromagnetickú interakciu. Znie to mätúco – tieto dva pojmy sú definované cez seba. Poďme na to!
Existencia elektromagnetickej interakcie je prirodzený fakt, niečo ako axióma v matematike. Ľudia si to všimli a naučili sa to popísať. Na tento účel zaviedli vhodné veličiny, ktoré charakterizujú tento jav (vrátane elektrického náboja) a vytvorili matematické modely (vzorce, zákony atď.), ktoré túto interakciu popisujú.
Coulombov zákon
Coulombov zákon vyzerá takto:
Sila interakcie dvoch pevných bodových elektrických nábojov vo vákuu je priamo úmerná súčinu ich modulov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. Smeruje pozdĺž priamky spájajúcej náboje a je príťažlivou silou, ak sú náboje opačné, a odpudivou silou, ak sú náboje rovnakého mena.
Koeficient k v Coulombovom zákone sa číselne rovná:
Analógia s gravitačnou interakciou
Zákon univerzálnej gravitácie hovorí: všetky telesá s hmotnosťou sa navzájom priťahujú. Táto interakcia sa nazýva gravitačná. Napríklad gravitačná sila, ktorou sme priťahovaní k Zemi, je špeciálnym prípadom práve gravitačnej interakcie. Veď my aj Zem máme hmotnosť. Sila gravitačnej interakcie je priamo úmerná súčinu hmotností interagujúcich telies a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.
Koeficient γ sa nazýva gravitačná konštanta.
Číselne sa rovná: 
.
Ako vidíte, forma výrazov, ktoré kvantitatívne opisujú gravitačné a elektrostatické interakcie, je veľmi podobná.
V čitateloch oboch výrazov - súčin jednotiek charakterizujúcich tento typ interakcie. Pre gravitačné - to sú hmoty, pre elektromagnetické - náboje. V menovateľoch oboch výrazov - štvorec vzdialenosti medzi objektmi interakcie.
Inverzný vzťah so štvorcom vzdialenosti sa často nachádza v mnohých fyzikálnych zákonoch. To nám umožňuje hovoriť o všeobecnom vzore, ktorý spája veľkosť účinku s druhou mocninou vzdialenosti medzi objektmi interakcie.
Táto úmernosť platí pre gravitačné, elektrické, magnetické interakcie, silu zvuku, svetla, žiarenia atď.
Vysvetľuje to skutočnosť, že povrchová plocha sféry šírenia efektu sa zvyšuje úmerne k druhej mocnine polomeru (pozri obr. 1).
Ryža. 1. Zväčšenie povrchu guľôčok
Bude to vyzerať prirodzene, ak si zapamätáte, že plocha gule je úmerná štvorcu polomeru:
Fyzikálne to znamená, že sila interakcie dvoch pevných bodových nábojov s veľkosťou 1 C, umiestnených vo vzdialenosti 1 m od seba vo vákuu, bude rovná 9·10 9 N (pozri obr. 2).
Ryža. 2. Sila interakcie dvoch bodových nábojov v 1 C
Zdalo by sa, že táto sila je obrovská. Malo by sa však chápať, že jeho poradie je spojené s ďalšou charakteristikou - hodnotou náboja 1 C. V praxi majú nabité telesá, s ktorými interagujeme v každodennom živote, náboj rádovo mikro- alebo dokonca nanokulomby.
Koeficienta elektrická konštanta
Niekedy sa namiesto koeficientu používa iná konštanta, ktorá charakterizuje elektrostatickú interakciu, ktorá sa nazýva „elektrická konštanta“. Je určená. Súvisí to s koeficientom takto:
Vykonaním jednoduchých matematických transformácií ho môžete vyjadriť a vypočítať:
Obe konštanty sú samozrejme prítomné v tabuľkách problémových kníh. Coulombov zákon má potom nasledujúcu podobu:
Venujme pozornosť niekoľkým jemným bodom.
Je dôležité pochopiť, že hovoríme o interakcii. To znamená, že ak vezmeme dva náboje, potom každý z nich bude pôsobiť na druhý silou, ktorá sa rovná modulu. Tieto sily budú smerovať v opačných smeroch pozdĺž priamky spájajúcej bodové náboje.
Náboje sa odpudzujú, ak majú rovnaké znamienko (oba kladné alebo oboje záporné (pozri obr. 3)), a priťahujú sa, ak majú odlišné znamienka (jedno záporné, druhé kladné (pozri obr. 4)).
Ryža. 3. Interakcia podobných nábojov
Ryža. 4. Interakcia rozdielnych poplatkov
bodový poplatok
Pojem „bodový náboj“ je prítomný vo formulácii Coulombovho zákona. Čo to znamená? Zvážte mechaniku. Pri skúmaní napríklad pohybu vlaku medzi mestami sme zanedbali jeho rozmery. Koniec koncov, veľkosť vlaku je stokrát alebo tisíckrát menšia ako vzdialenosť medzi mestami (pozri obr. 5). V takomto probléme sme zvažovali vlak „hmotný bod“ – teleso, ktorého rozmery v rámci riešenia určitého problému môžeme zanedbať.
Ryža. 5. V tomto prípade zanedbávame rozmery vlaku
Takže tu to je bodové náboje sú hmotné body, ktoré majú náboj. V praxi pomocou Coulombovho zákona zanedbávame veľkosť nabitých telies v porovnaní so vzdialenosťami medzi nimi. Ak sú rozmery nabitých telies porovnateľné so vzdialenosťou medzi nimi, potom v dôsledku prerozdelenia náboja vo vnútri telies bude elektrostatická interakcia zložitejšia.
Vo vrcholoch pravidelného šesťuholníka so stranou sú náboje umiestnené jeden po druhom. Nájdite silu pôsobiacu na náboj umiestnený v strede šesťuholníka (pozri obr. 6).
Ryža. 6. Výkres stavu problému 1
Uvažujme: náboj umiestnený v strede šesťuholníka bude interagovať s každým z nábojov umiestnených vo vrcholoch šesťuholníka. V závislosti od znamení to bude sila príťažlivosti alebo sila odpudzovania. Keď sú náboje 1, 2 a 3 kladné, náboj v strede zažije elektrostatické odpudzovanie (pozri obrázok 7).
Ryža. 7. Elektrostatické odpudzovanie
A s nábojmi 4, 5 a 6 (záporný), náboj v strede bude mať elektrostatickú príťažlivosť (pozri obr. 8).
Ryža. 8. Elektrostatická príťažlivosť
Celková sila pôsobiaca na náboj umiestnený v strede šesťuholníka bude výslednicou síl ,,,, a, modul každej z nich možno nájsť pomocou Coulombovho zákona. Začnime riešiť problém.
Riešenie
Interakčná sila náboja, ktorý je umiestnený v strede, s každým z nábojov vo vrcholoch závisí od modulov samotných nábojov a od vzdialenosti medzi nimi. Vzdialenosť od vrcholov k stredu pravidelného šesťuholníka je rovnaká, moduly interagujúcich nábojov v našom prípade sú tiež rovnaké (pozri obr. 9).
Ryža. 9. Vzdialenosti od vrcholov k stredu v pravidelnom šesťuholníku sú rovnaké
To znamená, že všetky interakčné sily náboja v strede šesťuholníka s nábojmi vo vrcholoch budú rovnaké v absolútnej hodnote. Pomocou Coulombovho zákona môžeme nájsť tento modul:
Vzdialenosť od stredu k vrcholu v pravidelnom šesťuholníku sa rovná dĺžke strany pravidelného šesťuholníka, ktorú poznáme z podmienky, teda:
Teraz musíme nájsť vektorový súčet - na to zvolíme súradnicový systém: os je pozdĺž sily a os je kolmá (pozri obr. 10).
Ryža. 10. Výber osí
Nájdeme celkové projekcie na osiach - jednoducho označíme modul každej z nich.
Vzhľadom k tomu, sily a sú v rovnakom smere s osou, ale sú v uhle k osi (pozri obr. 11).
Urobme to isté pre os:
Znamienko "-" - pretože sily a smerujú v opačnom smere osi. To znamená, že priemet celkovej sily na nami zvolenú os sa bude rovnať 0. Ukazuje sa, že celková sila bude pôsobiť iba pozdĺž osi, zostáva tu nahradiť iba výrazy pre modul interakcie sily a a dostať odpoveď. Celková sila sa bude rovnať:
Problém je vyriešený.
Ďalším jemným bodom je toto: Coulombov zákon hovorí, že náboje sú vo vákuu (pozri obr. 12).
Ryža. 12. Interakcia nábojov vo vákuu
Toto je naozaj dôležitá poznámka. Pretože v inom prostredí ako vákuum bude sila elektrostatickej interakcie oslabená (pozri obr. 13).
Ryža. 13. Interakcia nábojov v inom prostredí ako vákuum
Aby sa tento faktor zohľadnil, bola do elektrostatického modelu zavedená špeciálna hodnota, ktorá umožňuje vykonať „korekciu pre médium“. Nazýva sa dielektrická konštanta média. Označuje sa, podobne ako elektrická konštanta, gréckym písmenom „epsilon“, ale bez indexu.
Fyzikálny význam tejto veličiny je nasledujúci.
Sila elektrostatickej interakcie dvoch pevných bodových nábojov v prostredí inom ako vákuum bude ε krát menšia ako sila interakcie rovnakých nábojov v rovnakej vzdialenosti vo vákuu.
Takže v inom prostredí ako vákuum bude sila elektrostatickej interakcie dvoch bodových stacionárnych nábojov rovná:
Hodnoty permitivity rôznych látok boli dlho nájdené a zhromaždené v špeciálnych tabuľkách (pozri obr. 14).
Ryža. 14. Dielektrická konštanta niektorých látok
Pri riešení problémov môžeme voľne použiť tabuľkové hodnoty permitivity látok, ktoré potrebujeme.
Je dôležité pochopiť, že pri riešení problémov je sila elektrostatickej interakcie považovaná a opísaná v rovniciach dynamiky ako obyčajná sila. Poďme vyriešiť problém.
Dve identicky nabité guličky sú zavesené v médiu s dielektrickou konštantou na vláknach rovnakej dĺžky, upevnených v jednom bode. Určte nábojový modul guľôčok, ak sú závity navzájom v pravom uhle (pozri obr. 15). Veľkosť loptičiek je zanedbateľná v porovnaní so vzdialenosťou medzi nimi. Hmotnosti loptičiek sú rovnaké.
Ryža. 15. Výkres stavu problému 2
Uvažujme: na každú z loptičiek budú pôsobiť tri sily – gravitácia; sila elektrostatickej interakcie a sila napnutia nite (pozri obr. 16).
Ryža. 16. Sily pôsobiace na lopty
Podľa podmienok sú gule rovnaké, to znamená, že ich náboje sú rovnaké vo veľkosti aj v znamienku, čo znamená, že sila elektrostatickej interakcie bude v tomto prípade odpudivá sila (na obr. 16 sú sily elektrostatickej interakcie smerované v rôznych smeroch). Keďže systém je v rovnováhe, použijeme prvý Newtonov zákon:
Keďže podmienka hovorí, že guľôčky sú zavesené v médiu s dielektrickou konštantou a veľkosť guľôčok je zanedbateľná v porovnaní so vzdialenosťou medzi nimi, potom v súlade s Coulombovým zákonom bude sila, ktorou sa gule budú odpudzovať, rovnaká. komu:
Riešenie
Napíšme prvý Newtonov zákon v projekciách na súradnicové osi. Os smerujeme horizontálne a os vertikálne (pozri obr. 17).
Dva bodové náboje na seba pôsobia silou, ktorá je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti medzi nimi a priamo úmerná súčinu ich nábojov (bez ohľadu na znamienko nábojov)
V rôznych médiách, ako je vzduch a voda, interagujú dva bodové náboje s rôznou silou. Tento rozdiel charakterizuje relatívna permitivita média. Toto je známa tabuľková hodnota. Pre vzduch.
Konštanta k je definovaná ako
Smer Coulombovej sily
Podľa tretieho Newtonovho zákona sily rovnakej povahy vznikajú v pároch, rovnakej veľkosti, opačného smeru. Ak na seba pôsobia dva nerovnaké náboje, sila, ktorou väčší náboj pôsobí na menší (B na A), sa rovná sile, ktorou pôsobí menší náboj na väčší (A na B).
Zaujímavé je, že rôzne fyzikálne zákony majú niektoré spoločné črty. Spomeňme si na zákon gravitácie. Gravitačná sila je tiež nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti, ale už medzi masami a mimovoľne sa vynára myšlienka, že tento vzorec má hlboký význam. Doteraz nikto nedokázal predstaviť gravitáciu a elektrinu ako dva rôzne prejavy tej istej podstaty.
Sila sa tu tiež mení nepriamo so štvorcom vzdialenosti, ale rozdiel vo veľkosti elektrických síl a gravitačných síl je markantný. V snahe stanoviť spoločnú povahu gravitácie a elektriny nachádzame takú prevahu elektrických síl nad gravitačnými silami, že je ťažké uveriť, že obe majú rovnaký zdroj. Ako môžeš povedať, že jeden je silnejší ako druhý? Koniec koncov, všetko závisí od toho, čo je hmotnosť a aký je náboj. Pri hádke o tom, ako silná gravitácia pôsobí, nemáte právo povedať: „Vezmime si hmotu takej a takej veľkosti,“ pretože si ju vyberáte sami. Ale ak si vezmeme to, čo nám ponúka sama Príroda (jej vlastné čísla a miery, ktoré nemajú nič spoločné s našimi palcami, rokmi, našimi mierami), tak môžeme porovnávať. Zoberme si elementárnu nabitú časticu, ako je napríklad elektrón. Dve elementárne častice, dva elektróny, sa v dôsledku elektrického náboja navzájom odpudzujú silou nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi a vplyvom gravitácie sa k sebe opäť priťahujú silou nepriamo úmernou druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi. vzdialenosť.
Otázka: Aký je pomer gravitačnej sily k elektrickej sile? Gravitácia súvisí s elektrickým odpudzovaním, rovnako ako jednotka s číslom so 42 nulami. Toto je hlboko zamotané. Odkiaľ môže pochádzať také obrovské číslo?
Ľudia hľadajú tento obrovský faktor v iných prírodných javoch. Prechádzajú všelijakými veľkými číslami a ak chcete veľké číslo, prečo si nezobrať povedzme pomer priemeru vesmíru k priemeru protónu – prekvapivo ide aj o číslo so 42 nulami. A hovoria: možno sa tento koeficient rovná pomeru priemeru protónu k priemeru vesmíru? Je to zaujímavá myšlienka, ale ako sa vesmír postupne rozpína, musí sa zmeniť aj gravitačná konštanta. Aj keď táto hypotéza ešte nebola vyvrátená, nemáme žiadne dôkazy v jej prospech. Naopak, niektoré dôkazy naznačujú, že gravitačná konštanta sa týmto spôsobom nezmenila. Toto obrovské číslo zostáva dodnes záhadou.
Je známe, že každé nabité teleso má elektrické pole. Dá sa tiež tvrdiť, že ak existuje elektrické pole, potom existuje nabité teleso, ktorému toto pole patrí. Ak sú teda v blízkosti dve nabité telesá s elektrickými nábojmi, potom môžeme povedať, že každé z nich je v elektrickom poli susedného telesa. A v tomto prípade bude sila pôsobiť na prvé teleso
F1 =q 1E 2 ,
kde q 1 je náboj prvého telesa; E 2- sila poľa druhého telesa. Na druhé teleso bude pôsobiť sila
F2 =q2E 1 ,
kde q2 je náboj prvého telesa; E 1- sila poľa druhého telesa.
Elektricky nabité teleso interaguje s elektrickým poľom iného nabitého telesa.
Ak sú tieto telesá malé (bodové), potom
E1 =k . q 1 / r 2 ,
E2 =k .q 2 /r2,
Sily pôsobiace na každé z interagujúcich nabitých telies možno vypočítať, ak poznáme iba ich náboje a vzdialenosť medzi nimi.
Nahraďte hodnoty napätia a získajte
F 1 \u003d k. q 1 q 2 / r 2 a F 2 \u003d k. q 2 q 1 / r 2 .
Hodnota každej sily je vyjadrená iba hodnotou nábojov každého telesa a vzdialenosťou medzi nimi. Takto je možné určiť sily pôsobiace na každé teleso iba pomocou znalosti elektrických nábojov telies a vzdialenosti medzi nimi. Na tomto základe možno sformulovať jeden zo základných zákonov elektrodynamiky - Coulombov zákon.
Coulombov zákon . Sila pôsobiaca na teleso s pevným bodom s elektrickým nábojom v poli iného telesa s pevným bodom s elektrickým nábojom je úmerná súčinu hodnôt ich nábojov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.
Všeobecne povedané, význam sily uvedenej vo formulácii Coulombov zákon, možno napísať takto:
F=k. q 1 q 2 / r 2 ,
Vo vzorci na výpočet interakčnej sily sú zapísané hodnoty nábojov oboch telies. Preto môžeme konštatovať, že obidve sily sú rovnaké v module. V smere sú však opačné. Ak sú náboje telies rovnakého mena, telesá sa navzájom odpudzujú (obr. 4.48). Ak sú náboje telies rozdielne, potom sa telesá priťahujú (obr. 4.49). Nakoniec môžete napísať:
F1 = -F2.
Zaznamenaná rovnosť potvrdzuje platnosť III. Newtonovho zákona dynamiky pre elektrické interakcie. Preto v jednej z bežných formulácií Coulombov zákon hovorí že
sila interakcie medzi dvoma nabitými bodovými telesami je úmerná súčinu hodnôt ich nábojov a nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti medzi nimi.
Ak sú nabité telesá v dielektriku, potom interakčná sila bude závisieť od permitivity tohto dielektrika
F=k .q 1q 2 /ε r2.
Pre pohodlie výpočtov na základe Coulombovho zákona je hodnota koeficientu k napísané inak:
k = 1/4πε 0 .
Hodnota ε 0 volal elektrická konštanta. Jeho hodnota sa vypočíta podľa definície:
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. materiál zo stránky
Touto cestou, Coulombov zákon vo všeobecnom prípade sa dá vyjadriť vzorcom
F= (1/4π ε 0 ). q 1 q 2 / ε r 2 .
Coulombov zákon je jedným zo základných prírodných zákonov. Celá elektrodynamika je založená na ňom a nebol zaznamenaný jediný prípad, keď Coulombov zákon. Existuje len jedno obmedzenie, ktoré sa týka akcie Coulombov zákon na rôzne vzdialenosti. Verí sa tomu Coulombov zákon pôsobí na vzdialenosti väčšie ako 10 -16 m a menšie ako niekoľko kilometrov.
Pri riešení úloh je potrebné vziať do úvahy, že Coulombov zákon sa týka interakčných síl bodových nehybných nabitých telies. To redukuje všetky problémy na problémy týkajúce sa interakcie nehybných nabitých telies, v ktorých sa používajú dve polohy statiky:
- výslednica všetkých síl pôsobiacich na teleso je nulová;
- súčet momentov síl sa rovná nule.
V drvivej väčšine úloh pre aplikáciu Coulombov zákon stačí brať do úvahy len prvú pozíciu.
Na tejto stránke sú materiály k témam:
Napíšte vzorec pre Coulombov zákon
Abstrakt Coulombovho zákona
Správa z fyziky na tému Coulombov zákon
-
Poplatky a elektrina sú pojmy, ktoré sú povinné pre prípady, keď sa pozoruje interakcia nabitých telies. Zdá sa, že sily odpudzovania a príťažlivosti vychádzajú z nabitých telies a šíria sa súčasne vo všetkých smeroch, pričom v diaľke postupne miznú. Túto silu kedysi objavil slávny francúzsky prírodovedec Charles Coulomb a pravidlo, že nabité telesá poslúchajú, sa odvtedy nazýva Coulombov zákon.
Prívesok Charles
Francúzsky vedec sa narodil vo Francúzsku, kde získal vynikajúce vzdelanie. Získané poznatky aktívne aplikoval v inžinierskych vedách a významne prispel k teórii mechanizmov. Coulomb je autorom prác, ktoré študovali fungovanie veterných mlynov, štatistiku rôznych štruktúr, krútenie nití pod vplyvom vonkajších síl. Jedna z týchto prác pomohla objaviť Coulombov-Amontonov zákon, ktorý vysvetľuje procesy trenia.
Ale Charles Coulomb urobil hlavný príspevok k štúdiu statickej elektriny. Experimenty, ktoré tento francúzsky vedec uskutočnil, ho priviedli k pochopeniu jedného z najzákladnejších zákonov fyziky. Práve jemu vďačíme za znalosti o povahe interakcie nabitých telies.
pozadie
Príťažlivé a odpudivé sily, ktorými na seba pôsobia elektrické náboje, sú nasmerované pozdĺž priamky spájajúcej nabité telesá. Ako sa vzdialenosť zväčšuje, táto sila slabne. Storočie po tom, čo Isaac Newton objavil svoj univerzálny gravitačný zákon, francúzsky vedec C. Coulomb experimentálne skúmal princíp interakcie medzi nabitými telesami a dokázal, že povaha takejto sily je podobná silám gravitácie. Navyše, ako sa ukázalo, interagujúce telesá v elektrickom poli sa správajú rovnako ako akékoľvek telesá s hmotnosťou v gravitačnom poli.
Coulombov prístroj
Schéma zariadenia, s ktorým Charles Coulomb robil svoje merania, je znázornená na obrázku:
Ako môžete vidieť, v podstate sa tento dizajn nelíši od zariadenia, ktoré kedysi Cavendish používal na meranie hodnoty gravitačnej konštanty. Izolačná tyč zavesená na tenkom závite končí kovovou guľôčkou, ktorej je daný určitý elektrický náboj. Ku guličke sa priblíži ďalšia kovová gulička a potom sa pri priblížení meria sila interakcie stupňom krútenia závitu.
Coulombov experiment
Coulomb navrhol, že vtedy známy Hookeov zákon možno aplikovať na silu, ktorou sa niť krúti. Vedec porovnal zmenu sily v rôznych vzdialenostiach jednej guľôčky od druhej a zistil, že sila interakcie mení svoju hodnotu nepriamo úmerne so štvorcom vzdialenosti medzi guľôčkami. Prívesok dokázal zmeniť hodnoty nabitej gule z q na q/2, q/4, q/8 atď. S každou zmenou náboja interakčná sila úmerne menila svoju hodnotu. Tak sa postupne sformulovalo pravidlo, ktoré sa neskôr nazývalo „Coulombov zákon“.
Definícia
Experimentálne francúzsky vedec dokázal, že sily, s ktorými dve nabité telesá interagujú, sú úmerné súčinu ich nábojov a nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nábojmi. Toto tvrdenie je Coulombov zákon. V matematickej forme sa dá vyjadriť takto:
V tomto výraze:
- q je výška poplatku;
- d je vzdialenosť medzi nabitými telesami;
- k je elektrická konštanta.
Hodnota elektrickej konštanty do značnej miery závisí od výberu mernej jednotky. V modernom systéme sa veľkosť elektrického náboja meria v coulombách a elektrická konštanta v newtonoch × m 2 / coulomb 2.
Nedávne merania ukázali, že tento koeficient by mal zohľadňovať dielektrickú konštantu média, v ktorom sa experiment uskutočňuje. Teraz je hodnota zobrazená ako pomer k=k 1 /e, kde k 1 je elektrická konštanta, ktorá je nám už známa, a nie je indikátorom permitivity. V podmienkach vákua sa táto hodnota rovná jednotke.
Závery z Coulombovho zákona
Vedec experimentoval s rôznymi nábojmi a testoval interakciu medzi telesami s rôznymi nábojmi. Samozrejme, nemohol merať elektrický náboj v žiadnych jednotkách – nechýbali mu znalosti ani vhodné prístroje. Charles Coulomb dokázal oddeliť projektil dotykom nabitej lopty bez náboja. Dostal teda zlomkové hodnoty počiatočného poplatku. Množstvo experimentov ukázalo, že elektrický náboj je zachovaný, výmena prebieha bez zvýšenia alebo zníženia množstva náboja. Tento základný princíp tvoril základ zákona zachovania elektrického náboja. V súčasnosti je dokázané, že tento zákon je pozorovaný tak v mikrokozme elementárnych častíc, ako aj v makrokozme hviezd a galaxií.
Podmienky potrebné na naplnenie Coulombovho zákona
Aby bol zákon naplnený s väčšou presnosťou, musia byť splnené tieto podmienky:
- Poplatky musia byť bodové. Inými slovami, vzdialenosť medzi pozorovanými nabitými telesami musí byť oveľa väčšia ako ich veľkosti. Ak sú nabité telesá guľové, potom môžeme predpokladať, že všetok náboj je v bode, ktorý je stredom gule.
- Merané telesá musia byť nehybné. V opačnom prípade bude pohybujúci sa náboj ovplyvnený mnohými faktormi tretích strán, napríklad Lorentzovou silou, ktorá dodáva nabitému telu ďalšie zrýchlenie. Rovnako ako magnetické pole pohybujúceho sa nabitého telesa.
- Pozorované telesá musia byť vo vákuu, aby sa zabránilo vplyvu prúdenia vzduchu na výsledky pozorovaní.
Coulombov zákon a kvantová elektrodynamika
Z hľadiska kvantovej elektrodynamiky dochádza k interakcii nabitých telies prostredníctvom výmeny virtuálnych fotónov. Existencia takýchto nepozorovateľných častíc a nulová hmotnosť, ale nie nulový náboj, je nepriamo podporovaná princípom neurčitosti. Podľa tohto princípu môže virtuálny fotón existovať medzi momentom emisie takejto častice a jej absorpciou. Čím menšia je vzdialenosť medzi telesami, tým menej času fotón strávi prechodom dráhy, tým väčšia je energia emitovaných fotónov. Pri malej vzdialenosti medzi pozorovanými nábojmi princíp neurčitosti umožňuje výmenu krátkovlnných aj dlhovlnných častíc a pri veľkých vzdialenostiach sa výmeny nezúčastňujú krátkovlnné fotóny.
Existujú limity pre aplikáciu Coulombovho zákona?
Coulombov zákon plne vysvetľuje správanie dvoch bodových nábojov vo vákuu. Ale pokiaľ ide o skutočné telesá, mali by sme vziať do úvahy objemové rozmery nabitých telies a charakteristiky prostredia, v ktorom sa pozorovanie uskutočňuje. Niektorí výskumníci napríklad pozorovali, že teleso, ktoré nesie malý náboj a je násilne privedené do elektrického poľa iného objektu s veľkým nábojom, začína byť priťahované k tomuto náboju. V tomto prípade zlyháva tvrdenie, že podobne nabité telesá sa navzájom odpudzujú a treba hľadať iné vysvetlenie pozorovaného javu. S najväčšou pravdepodobnosťou nehovoríme o porušení Coulombovho zákona alebo princípu zachovania elektrického náboja - je možné, že pozorujeme javy, ktoré neboli až do konca úplne preskúmané, čo bude veda schopná vysvetliť o niečo neskôr .
