Ang konsepto ng kuryente. Elektripikasyon. Mga konduktor, semiconductor at dielectrics. Ang bayad sa elementarya at mga katangian nito. Batas ng Coulomb. Lakas ng electric field. Ang prinsipyo ng superposisyon. Electric field bilang isang pagpapakita ng pakikipag-ugnayan. Electric field ng elementary dipole.
Ang terminong kuryente ay nagmula sa salitang Griyego na electron (amber).
Ang electrization ay ang proseso ng pagbibigay ng elektrikal na enerhiya sa katawan.
singilin. Ang terminong ito ay ipinakilala noong ika-16 na siglo ng Ingles na siyentipiko at manggagamot na si Gilbert.
ELECTRIC CHARGE AY ISANG PHYSICAL SCALAR VALUE NA NAGPAKITA NG MGA KATANGIAN NG MGA KATAWAN O PARTIKULO UPANG PUMASOK AT MGA ELECTROMAGNETIC INTERACTIONS AT TINUTUKOY ANG PWERSA AT ENERHIYA NG MGA INTERAKSYONG ITO.
Mga katangian ng mga singil sa kuryente:
1. Sa kalikasan, mayroong dalawang uri ng mga singil sa kuryente. Positibo (lumalabas sa salamin na ipinulupot sa balat) at negatibo (lumalabas sa ebonite na ipinulupot sa balahibo).
2. Ang mga singil na may parehong pangalan ay nagtataboy, hindi katulad ng mga singil na umaakit.
3. WALA NG singil sa kuryente na WALANG MGA PARTICLE OF CHARGE CARRIER (electron, proton, positron, atbp.) Halimbawa, hindi maaaring alisin ang e / charge mula sa isang electron at iba pang elementarya na may charge na particle.
4. Ang electric charge ay discrete, i.e. ang singil ng anumang katawan ay isang integer multiple ng elementarya na singil ng kuryente e(e = 1.6 10 -19 C). Electron (i.e.= 9,11 10 -31 kg) at proton (t p = 1.67 10 -27 kg) ay ayon sa pagkakabanggit ay mga carrier ng elementarya na negatibo at positibong mga singil. (Ang mga particle na may fractional electric charge ay kilala: – 1/3 e at 2/3 e - ito ay quark at antiquark , ngunit hindi sila natagpuan sa malayang estado).
5. Electric charge - magnitude relativistically invariant , mga. ay hindi nakadepende sa frame of reference, at samakatuwid ay hindi nakadepende sa kung ang singil na ito ay gumagalaw o nakapahinga.
6. Mula sa generalization ng eksperimental na data, pangunahing batas ng kalikasan - batas sa pag-iingat ng bayad: algebraic sum
ma electric charges ng anumang closed system(mga sistemang hindi nakikipagpalitan ng singil sa mga panlabas na katawan) nananatiling hindi nagbabago, anuman ang mga prosesong magaganap sa loob ng sistemang ito.
Ang batas ay eksperimento na nakumpirma noong 1843 ng isang English physicist
M. Faraday ( 1791-1867) at iba pa, na kinumpirma ng pagsilang at pagpuksa ng mga particle at antiparticle.
Ang yunit ng electric charge (nagmula na yunit, dahil ito ay tinutukoy sa pamamagitan ng yunit ng kasalukuyang lakas) - palawit (C): 1 C - singil ng kuryente,
dumadaan sa cross section ng conductor sa kasalukuyang lakas na 1 A para sa isang oras na 1 s.
Lahat ng katawan sa kalikasan ay may kakayahang makuryente; kumuha ng singil sa kuryente. Ang electrification ng mga katawan ay maaaring isagawa sa iba't ibang paraan: sa pamamagitan ng contact (friction), electrostatic induction
atbp. Anumang proseso ng pagsingil ay nababawasan sa paghihiwalay ng mga singil, kung saan ang isa sa mga katawan (o bahagi ng katawan) ay may labis na positibong singil, at sa kabilang bahagi (o ibang bahagi ng katawan) - isang labis na negatibo singilin. Ang kabuuang bilang ng mga singil ng parehong mga palatandaan na nakapaloob sa mga katawan ay hindi nagbabago: ang mga singil na ito ay muling ipinamamahagi sa pagitan ng mga katawan.
Posible ang electrification ng mga katawan dahil ang mga katawan ay binubuo ng mga sisingilin na particle. Sa proseso ng electrification ng mga katawan, ang mga electron at ions na nasa isang malayang estado ay maaaring lumipat. Ang mga proton ay nananatili sa nuclei.
Depende sa konsentrasyon ng mga libreng singil, ang mga katawan ay nahahati sa konduktor, dielectric at semiconductor.
mga konduktor- mga katawan kung saan ang singil ng kuryente ay maaaring ihalo sa kabuuan nito. Ang mga konduktor ay nahahati sa dalawang pangkat:
1) konduktor ng unang uri (mga metal) - ilipat sa
ng mga singil (mga libreng electron) ay hindi sinamahan ng kemikal
pagbabagong-anyo;
2) konduktor ng pangalawang uri (halimbawa, mga tinunaw na asin,
acid ranges) - ang paglipat ng mga singil sa kanila (positibo at negatibo
ions) ay humahantong sa mga pagbabago sa kemikal.
Dielectrics(halimbawa, salamin, plastik) - mga katawan kung saan halos walang libreng singil.
Semiconductor (hal. germanium, silicon) occupy
intermediate na posisyon sa pagitan ng mga conductor at dielectrics. Ang dibisyon ng mga katawan na ito ay napaka-arbitrary, ngunit ang malaking pagkakaiba sa mga konsentrasyon ng mga libreng singil sa kanila ay nagdudulot ng malaking pagkakaiba-iba ng husay sa kanilang pag-uugali at samakatuwid ay nagbibigay-katwiran sa paghahati ng mga katawan sa mga conductor, dielectrics at semiconductors.
ELECTROSTATICS- ang agham ng mga nakapirming singil
Batas ng Coulomb.
Batas ng pakikipag-ugnayan nakapirming punto mga singil sa kuryente
Eksperimental na na-install noong 1785 ni Sh. Coulomb gamit ang torsion balances.
katulad ng mga ginamit ni G. Cavendish upang matukoy ang gravitational constant (ang batas na ito ay dating natuklasan ni G. Cavendish, ngunit ang kanyang trabaho ay nanatiling hindi kilala sa loob ng higit sa 100 taon).
point charge, tinatawag na isang sisingilin na katawan o butil, na ang sukat nito ay maaaring pabayaan, kumpara sa distansya sa kanila.
Batas ng Coulomb: ang puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang nakapirming singil na matatagpuan sa isang vacuum proporsyonal sa mga singil q 1 at q2, at inversely proportional sa parisukat ng distansya r sa pagitan nila :
k - proportionality factor depende sa pagpili ng system
sa SI 
Halaga ε 0 tinawag de-koryenteng pare-pareho; ito ay tumutukoy sa
numero pangunahing mga pisikal na pare-pareho at katumbas ng:
ε 0 = 8.85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2
Sa anyo ng vector, ang batas ng Coulomb sa vacuum ay may anyo:
kung saan ang radius vector na nagkokonekta sa pangalawang singil sa una, ang F 12 ay ang puwersang kumikilos mula sa pangalawang singil sa una.
Ang katumpakan ng pagpapatupad ng batas ng Coulomb sa malalayong distansya, hanggang sa
10 7 m, na itinatag sa panahon ng pag-aaral ng magnetic field gamit ang mga satellite
sa malapit-Earth space. Ang katumpakan ng pagpapatupad nito sa maikling distansya, hanggang sa 10 -17 m, na-verify ng mga eksperimento sa pakikipag-ugnayan ng mga elementarya na particle.
Batas ng Coulomb sa kapaligiran
Sa lahat ng media, ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng Coulomb ay mas mababa kaysa sa puwersa ng pakikipag-ugnayan sa vacuum o hangin. Ang pisikal na dami na nagpapakita kung gaano karaming beses ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng electrostatic sa vacuum ay mas malaki kaysa sa isang partikular na medium ay tinatawag na permittivity ng medium at tinutukoy ng titik ε.
ε = F sa vacuum / F sa medium
Ang batas ng Coulomb sa pangkalahatang anyo sa SI:
Mga katangian ng mga puwersa ng Coulomb.
1. Ang mga puwersa ng Coulomb ay mga puwersa ng gitnang uri, dahil nakadirekta sa isang tuwid na linya na nagdudugtong sa mga singil
Ang puwersa ng Coulomb ay isang kaakit-akit na puwersa kung ang mga senyales ng mga singil ay iba at isang salungat na puwersa kung ang mga palatandaan ng mga singil ay pareho.
3. Para sa mga puwersa ng Coulomb, wasto ang ika-3 batas ni Newton
4. Ang mga puwersa ng Coulomb ay sumusunod sa prinsipyo ng kalayaan o superposisyon, dahil ang puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang puntong singil ay hindi magbabago kapag ang ibang mga pagsingil ay lumitaw nang malapit. Ang nagresultang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng electrostatic na kumikilos sa isang ibinigay na singil ay katumbas ng kabuuan ng vector ng mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ng isang ibinigay na singil sa bawat singil ng system nang hiwalay.
F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N
Ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga singil ay isinasagawa sa pamamagitan ng isang electric field. Ang isang electric field ay isang espesyal na anyo ng pagkakaroon ng bagay, kung saan ang pakikipag-ugnayan ng mga singil sa kuryente ay isinasagawa. Ang electric field ay nagpapakita ng sarili sa pamamagitan ng katotohanan na ito ay kumikilos nang may puwersa sa anumang iba pang singil na ipinakilala sa larangang ito. Ang isang electrostatic field ay nilikha sa pamamagitan ng mga nakatigil na singil ng kuryente at nagpapalaganap sa kalawakan na may hangganan na bilis c.
Ang katangian ng kapangyarihan ng electric field ay tinatawag na lakas.
tensyon electric sa ilang mga punto ay tinatawag na isang pisikal na dami na katumbas ng ratio ng puwersa kung saan ang patlang ay kumikilos sa isang positibong singil sa pagsubok na inilagay sa isang naibigay na punto sa modulus ng singil na ito.
Ang lakas ng field ng isang point charge q:
Prinsipyo ng superposisyon: ang lakas ng electric field na nilikha ng sistema ng mga singil sa isang naibigay na punto sa espasyo ay katumbas ng vector sum ng mga lakas ng mga electric field na nilikha sa puntong ito ng bawat singil nang hiwalay (sa kawalan ng iba pang mga singil).
Sa araling ito, ang paksa kung saan ay "Batas ng Coulomb", pag-uusapan natin ang tungkol sa batas ng Coulomb mismo, tungkol sa kung ano ang mga singil sa punto, at upang pagsamahin ang materyal ay malulutas natin ang ilang mga problema sa paksang ito.
Tema ng aralin: "Batas ng Coulomb". Ang batas ng Coulomb ay quantitatively na naglalarawan sa interaksyon ng mga point na hindi gumagalaw na singil - iyon ay, mga singil na nasa isang static na posisyon na nauugnay sa isa't isa. Ang interaksyon na ito ay tinatawag na electrostatic o electrical at bahagi ng electromagnetic interaction.
Pakikipag-ugnayan ng electromagnetic
Siyempre, kung gumagalaw ang mga singil, nakikipag-ugnayan din sila. Ang pakikipag-ugnayang ito ay tinatawag na magnetic at inilalarawan sa seksyon ng physics na tinatawag na "Magnetism".
Dapat itong maunawaan na ang "electrostatics" at "magnetism" ay mga pisikal na modelo, at magkakasamang inilalarawan ng mga ito ang interaksyon ng parehong gumagalaw at nakatigil na mga singil na nauugnay sa isa't isa. At lahat ng sama-sama ito ay tinatawag na electromagnetic interaction.
Ang pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ay isa sa apat na pangunahing pakikipag-ugnayan na umiiral sa kalikasan.
Pagsingil ng kuryente
Ano ang electric charge? Ang mga kahulugan sa mga aklat-aralin at sa Internet ay nagsasabi sa amin na ang singil ay isang scalar na dami na nagpapakilala sa intensity ng electromagnetic interaction ng mga katawan. Iyon ay, ang pakikipag-ugnayan ng electromagnetic ay ang pakikipag-ugnayan ng mga singil, at ang singil ay isang dami na nagpapakilala sa pakikipag-ugnayan ng electromagnetic. Nakakalito ang tunog - ang dalawang konsepto ay tinukoy sa pamamagitan ng bawat isa. Alamin natin ito!
Ang pagkakaroon ng electromagnetic na pakikipag-ugnayan ay isang natural na katotohanan, isang bagay tulad ng isang axiom sa matematika. Napansin ito ng mga tao at natutong ilarawan ito. Upang gawin ito, ipinakilala nila ang mga maginhawang dami na nagpapakilala sa hindi pangkaraniwang bagay na ito (kabilang ang singil ng kuryente) at gumawa ng mga modelong matematika (mga formula, batas, atbp.) na naglalarawan sa pakikipag-ugnayang ito.
Batas ng Coulomb
Ganito ang hitsura ng batas ng Coulomb:
Ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng dalawang nakapirming punto na mga singil sa kuryente sa vacuum ay direktang proporsyonal sa produkto ng kanilang mga module at inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya sa pagitan nila. Ito ay nakadirekta sa tuwid na linya na nagdudugtong sa mga singil, at ito ay isang kaakit-akit na puwersa kung ang mga singil ay kabaligtaran, at isang salungat na puwersa kung ang mga singil ay may parehong pangalan.
Coefficient k sa batas ng Coulomb ay katumbas ng numero sa:
Analogy sa gravitational interaction
Ang batas ng unibersal na grabitasyon ay nagsasabi: lahat ng mga katawan na may masa ay naaakit sa isa't isa. Ang pakikipag-ugnayang ito ay tinatawag na gravitational. Halimbawa, ang puwersa ng grabidad kung saan tayo naaakit sa Earth ay isang espesyal na kaso ng tiyak na pakikipag-ugnayan ng gravitational. Pagkatapos ng lahat, pareho tayo at ang Earth ay may masa. Ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng gravitational ay direktang proporsyonal sa produkto ng masa ng mga nakikipag-ugnayang katawan at inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya sa pagitan nila.
Ang coefficient γ ay tinatawag na gravitational constant.
Bilang numero, ito ay katumbas ng: 
.
Tulad ng nakikita mo, ang anyo ng mga expression na naglalarawan sa dami ng gravitational at electrostatic na pakikipag-ugnayan ay halos magkapareho.
Sa mga numerator ng parehong mga expression - ang produkto ng mga yunit na nagpapakilala sa ganitong uri ng pakikipag-ugnayan. Para sa gravitational - ito ay mga masa, para sa electromagnetic - mga singil. Sa mga denominador ng parehong mga expression - ang parisukat ng distansya sa pagitan ng mga bagay ng pakikipag-ugnayan.
Ang kabaligtaran na relasyon sa parisukat ng distansya ay madalas na matatagpuan sa maraming mga pisikal na batas. Ito ay nagpapahintulot sa amin na magsalita tungkol sa isang pangkalahatang pattern na nag-uugnay sa laki ng epekto sa parisukat ng distansya sa pagitan ng mga bagay ng pakikipag-ugnayan.
Ang proporsyonalidad na ito ay may bisa para sa gravitational, electrical, magnetic interaction, ang lakas ng tunog, liwanag, radiation, atbp.
Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang ibabaw na lugar ng globo ng pagpapalaganap ng epekto ay tumataas sa proporsyon sa parisukat ng radius (tingnan ang Fig. 1).
kanin. 1. Pagtaas ng lugar sa ibabaw ng mga sphere
Magiging natural ito kung naaalala mo na ang lugar ng isang globo ay proporsyonal sa parisukat ng radius:
Sa pisikal, nangangahulugan ito na ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng dalawang nakapirming singil sa 1 C, na matatagpuan sa layo na 1 m mula sa bawat isa sa vacuum, ay magiging katumbas ng 9·10 9 N (tingnan ang Fig. 2).
kanin. 2. Puwersa ng pakikipag-ugnayan ng dalawang puntong singil sa 1 C
Mukhang napakalaki ng kapangyarihang ito. Ngunit dapat itong maunawaan na ang pagkakasunud-sunod nito ay nauugnay sa isa pang katangian - ang halaga ng singil na 1 C. Sa pagsasagawa, ang mga sinisingil na katawan kung saan tayo nakikipag-ugnayan sa pang-araw-araw na buhay ay may bayad sa pagkakasunud-sunod ng micro- o kahit nanocoulombs.
Coefficientat electric constant
Minsan, sa halip na isang koepisyent, isa pang pare-pareho ang ginagamit na nagpapakilala sa electrostatic na pakikipag-ugnayan, na tinatawag na "electric constant". Siya ay itinalaga. Ito ay nauugnay sa koepisyent tulad ng sumusunod:
Sa pamamagitan ng pagsasagawa ng mga simpleng pagbabagong matematikal, maaari mong ipahayag at kalkulahin ito:
Ang parehong mga pare-pareho, siyempre, ay naroroon sa mga talahanayan ng mga libro ng problema. Ang batas ng Coulomb ay tumatagal ng sumusunod na anyo:
Bigyang-pansin natin ang ilang banayad na mga punto.
Mahalagang maunawaan na pinag-uusapan natin ang pakikipag-ugnayan. Iyon ay, kung kukuha tayo ng dalawang singil, kung gayon ang bawat isa sa kanila ay kikilos sa isa na may puwersa na katumbas ng modulus. Ang mga puwersang ito ay ididirekta sa magkasalungat na direksyon kasama ang tuwid na linya na nagkokonekta sa mga singil sa punto.
Ang mga singil ay itataboy kung mayroon silang parehong senyales (parehong positibo o parehong negatibo (tingnan ang Fig. 3)), at maaakit kung mayroon silang magkaibang mga palatandaan (isang negatibo, ang isa ay positibo (tingnan ang Fig. 4)).
kanin. 3. Pakikipag-ugnayan ng mga katulad na singil
kanin. 4. Interaksyon ng hindi katulad na mga pagsingil
singil sa punto
Ang terminong "point charge" ay naroroon sa pagbabalangkas ng batas ni Coulomb. Anong ibig sabihin nito? Isaalang-alang ang mekanika. Sa pagsisiyasat, halimbawa, ang paggalaw ng isang tren sa pagitan ng mga lungsod, napabayaan namin ang mga sukat nito. Pagkatapos ng lahat, ang laki ng tren ay daan-daan o libu-libong beses na mas maliit kaysa sa distansya sa pagitan ng mga lungsod (tingnan ang Fig. 5). Sa ganoong problema, isinasaalang-alang namin ang tren "materyal point" - isang katawan, ang mga sukat kung saan, sa balangkas ng paglutas ng isang tiyak na problema, maaari nating pabayaan.
kanin. 5. Sa kasong ito, napapabayaan natin ang mga sukat ng tren
Kaya eto na Ang mga singil sa punto ay mga materyal na puntos na may singil. Sa pagsasagawa, gamit ang batas ng Coulomb, pinababayaan natin ang laki ng mga sinisingil na katawan kung ihahambing sa mga distansya sa pagitan ng mga ito. Kung ang mga sukat ng mga sisingilin na katawan ay maihahambing sa distansya sa pagitan nila, kung gayon dahil sa muling pamamahagi ng singil sa loob ng mga katawan, ang pakikipag-ugnayan ng electrostatic ay magiging mas kumplikado.
Sa mga vertice ng isang regular na hexagon na may gilid, ang mga singil ay inilalagay nang isa-isa. Hanapin ang puwersa na kumikilos sa singil na matatagpuan sa gitna ng hexagon (tingnan ang Fig. 6).
kanin. 6. Pagguhit para sa kalagayan ng problema 1
Mangatuwiran tayo: ang singil na matatagpuan sa gitna ng hexagon ay makikipag-ugnayan sa bawat isa sa mga singil na matatagpuan sa mga vertice ng hexagon. Depende sa mga palatandaan, ito ang magiging puwersa ng pagkahumaling o ang puwersa ng pagtanggi. Sa mga charge 1, 2, at 3 na positibo, ang charge sa gitna ay makakaranas ng electrostatic repulsion (tingnan ang Figure 7).
kanin. 7. Electrostatic repulsion
At sa mga singil na 4, 5, at 6 (negatibo), ang singil sa gitna ay magkakaroon ng electrostatic attraction (tingnan ang Fig. 8).
kanin. 8. Electrostatic na atraksyon
Ang kabuuang puwersa na kumikilos sa singil na matatagpuan sa gitna ng hexagon ay ang magiging resulta ng mga puwersa ,,,, at, ang modulus ng bawat isa ay matatagpuan gamit ang batas ng Coulomb. Simulan natin ang paglutas ng problema.
Solusyon
Ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng singil, na matatagpuan sa gitna, sa bawat isa sa mga singil sa mga vertices ay nakasalalay sa mga module ng mga singil mismo at ang distansya sa pagitan nila. Ang distansya mula sa mga vertices hanggang sa gitna ng isang regular na hexagon ay pareho, ang mga module ng mga nakikipag-ugnay na singil sa aming kaso ay pantay din (tingnan ang Fig. 9).
kanin. 9. Ang mga distansya mula sa mga vertices hanggang sa gitna sa isang regular na hexagon ay pantay
Nangangahulugan ito na ang lahat ng mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ng singil sa gitna ng hexagon na may mga singil sa mga vertice ay magiging pantay sa ganap na halaga. Gamit ang batas ni Coulomb, mahahanap natin ang modyul na ito:
Ang distansya mula sa gitna hanggang sa vertex sa isang regular na hexagon ay katumbas ng haba ng gilid ng regular na hexagon, na alam natin mula sa kundisyon, samakatuwid:
Ngayon kailangan nating hanapin ang vector sum - para dito pumili tayo ng isang coordinate system: ang axis ay kasama ng puwersa, at ang axis ay patayo (tingnan ang Fig. 10).
kanin. 10. Pagpili ng mga palakol
Hanapin natin ang kabuuang projection sa mga axes - tinutukoy lang natin ang module ng bawat isa sa kanila.
Dahil ang mga puwersa at ay co-directed sa axis, ngunit nasa isang anggulo sa axis (tingnan ang Fig. 11).
Gawin natin ang parehong para sa axis:
Ang sign na "-" - dahil ang pwersa at nakadirekta sa tapat na direksyon ng axis. Iyon ay, ang projection ng kabuuang puwersa sa axis na napili namin ay magiging katumbas ng 0. Lumalabas na ang kabuuang puwersa ay kikilos lamang sa kahabaan ng axis, nananatili itong palitan dito lamang ang mga expression para sa modulus ng pakikipag-ugnayan pwersa at at makuha ang sagot. Ang kabuuang puwersa ay magiging katumbas ng:
Nalutas ang problema.
Ang isa pang banayad na punto ay ito: Ang batas ng Coulomb ay nagsasabi na ang mga singil ay nasa vacuum (tingnan ang Fig. 12).
kanin. 12. Interaksyon ng mga singil sa vacuum
Ito ay talagang mahalagang tala. Dahil sa isang daluyan maliban sa vacuum, ang lakas ng pakikipag-ugnayan ng electrostatic ay hihina (tingnan ang Fig. 13).
kanin. 13. Interaksyon ng mga singil sa isang medium maliban sa vacuum
Upang isaalang-alang ang salik na ito, isang espesyal na halaga ang ipinakilala sa modelo ng electrostatics, na nagpapahintulot sa paggawa ng "pagwawasto para sa daluyan". Ito ay tinatawag na dielectric constant ng medium. Ito ay tinutukoy, tulad ng de-koryenteng pare-pareho, ng letrang Griyego na "epsilon", ngunit walang index.
Ang pisikal na kahulugan ng dami na ito ay ang mga sumusunod.
Ang puwersa ng electrostatic interaction ng dalawang fixed point charge sa isang medium maliban sa vacuum ay magiging ε beses na mas mababa kaysa sa puwersa ng interaksyon ng parehong mga singil sa parehong distansya sa vacuum.
Kaya, sa isang daluyan maliban sa vacuum, ang puwersa ng electrostatic na pakikipag-ugnayan ng dalawang puntong nakatigil na singil ay magiging katumbas ng:
Ang mga halaga ng permittivity ng iba't ibang mga sangkap ay matagal nang natagpuan at nakolekta sa mga espesyal na talahanayan (tingnan ang Fig. 14).
kanin. 14. Dielectric na pare-pareho ng ilang mga sangkap
Malayang magagamit natin ang mga tabular na halaga ng permittivity ng mga sangkap na kailangan natin sa paglutas ng mga problema.
Mahalagang maunawaan na kapag nilulutas ang mga problema, ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng electrostatic ay isinasaalang-alang at inilarawan sa mga equation ng dynamics bilang isang ordinaryong puwersa. Solusyonan natin ang problema.
Dalawang magkaparehong sisingilin na bola ang sinuspinde sa isang daluyan na may dielectric na pare-pareho sa mga thread na may parehong haba, na naayos sa isang punto. Tukuyin ang modulus ng singil ng mga bola kung ang mga thread ay nasa tamang anggulo sa isa't isa (tingnan ang Fig. 15). Ang laki ng mga bola ay bale-wala kumpara sa distansya sa pagitan nila. Ang masa ng mga bola ay pantay.
kanin. 15. Pagguhit para sa kalagayan ng problema 2
Mangatuwiran tayo: tatlong puwersa ang kikilos sa bawat bola - gravity; electrostatic interaction force at thread tension force (tingnan ang Fig. 16).
kanin. 16. Mga puwersang kumikilos sa mga bola
Sa pamamagitan ng kundisyon, ang mga bola ay pareho, iyon ay, ang kanilang mga singil ay pareho sa magnitude at sa sign, na nangangahulugang ang electrostatic na puwersa ng pakikipag-ugnayan sa kasong ito ay ang salungat na puwersa (sa Fig. 16, ang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ng electrostatic ay nakadirekta sa iba't ibang direksyon). Dahil ang sistema ay nasa ekwilibriyo, gagamitin natin ang unang batas ni Newton:
Dahil ang kondisyon ay nagsasabi na ang mga bola ay nasuspinde sa isang daluyan na may dielectric na pare-pareho, at ang laki ng mga bola ay bale-wala kumpara sa distansya sa pagitan nila, kung gayon, alinsunod sa batas ng Coulomb, ang puwersa kung saan ang mga bola ay tataboy ay magiging katumbas ng:
Solusyon
Isulat natin ang unang batas ni Newton sa mga projection sa coordinate axes. Itinuro namin ang axis nang pahalang, at ang axis nang patayo (tingnan ang Fig. 17).
Ang dalawang puntong singil ay kumikilos sa isa't isa na may puwersa na inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya sa pagitan ng mga ito at direktang proporsyonal sa produkto ng kanilang mga singil (anuman ang tanda ng mga singil)
Sa iba't ibang media, tulad ng hangin at tubig, ang dalawang point charge ay nakikipag-ugnayan sa magkaibang lakas. Ang relatibong permittivity ng medium ay nagpapakilala sa pagkakaibang ito. Ito ay isang kilalang halaga ng talahanayan. Para sa hangin.
Ang pare-parehong k ay tinukoy bilang
Direksyon ng puwersa ng Coulomb
Ayon sa ikatlong batas ni Newton, ang mga puwersa ng parehong kalikasan ay bumangon sa mga pares, pantay sa magnitude, sa tapat ng direksyon. Kung ang dalawang hindi pantay na singil ay nag-ugnay, ang puwersa kung saan kumikilos ang mas malaking singil sa mas maliit (B sa A) ay katumbas ng puwersa kung saan kumikilos ang mas maliit sa mas malaki (A sa B).
Kapansin-pansin, ang iba't ibang mga batas ng pisika ay may ilang karaniwang mga tampok. Alalahanin natin ang batas ng grabidad. Ang puwersa ng grabidad ay inversely proportional din sa parisukat ng distansya, ngunit nasa pagitan na ng masa, at ang pag-iisip ay hindi sinasadya na lumitaw na ang pattern na ito ay may malalim na kahulugan. Hanggang ngayon, walang nakapagpakita ng gravity at kuryente bilang dalawang magkaibang pagpapakita ng parehong kakanyahan.
Ang puwersa dito ay nag-iiba din sa kabaligtaran sa parisukat ng distansya, ngunit ang pagkakaiba sa magnitude ng mga puwersa ng kuryente at mga puwersa ng gravitational ay kapansin-pansin. Sa pagsisikap na itatag ang karaniwang katangian ng gravity at elektrisidad, nakita namin ang isang superyoridad ng mga puwersa ng kuryente kaysa sa mga puwersa ng gravitational na mahirap paniwalaan na pareho ang pinagmulan. Paano mo masasabi na ang isa ay mas malakas kaysa sa isa? Pagkatapos ng lahat, ang lahat ay nakasalalay sa kung ano ang masa at kung ano ang singil. Sa pagtatalo tungkol sa kung gaano kalakas ang gravity, wala kang karapatang sabihin: "Kumuha tayo ng isang mass ng ganoon at ganoong laki," dahil ikaw mismo ang pumili nito. Ngunit kung kukunin natin kung ano ang iniaalok sa atin mismo ng Kalikasan (kanyang sariling mga numero at sukat, na walang kinalaman sa ating mga pulgada, taon, sa ating mga sukat), kung gayon maaari nating ihambing. Kukuha tayo ng elementarya na sisingilin na particle, tulad ng, halimbawa, isang electron. Dalawang elementarya na particle, dalawang electron, dahil sa electric charge ay nagtataboy sa isa't isa na may puwersang inversely proportional sa square ng distansya sa pagitan nila, at dahil sa gravity sila ay naaakit muli sa isa't isa na may puwersa na inversely proportional sa square ng distansya.
Tanong: Ano ang ratio ng gravitational force sa electrical force? Ang gravity ay sa electrical repulsion bilang isa sa isang numero na may 42 zero. Ito ay malalim na palaisipan. Saan nanggagaling ang napakalaking bilang?
Hinahanap ng mga tao ang malaking salik na ito sa iba pang natural na phenomena. Dumadaan sila sa lahat ng uri ng malalaking numero, at kung gusto mo ng isang malaking numero, bakit hindi kunin, sabihin nating, ang ratio ng diameter ng uniberso sa diameter ng isang proton - nakakagulat, ito rin ay isang numero na may 42 zero. At sinasabi nila: marahil ang koepisyent na ito ay katumbas ng ratio ng diameter ng proton sa diameter ng uniberso? Ito ay isang kawili-wiling pag-iisip, ngunit habang ang uniberso ay unti-unting lumalawak, ang pare-pareho ng grabidad ay dapat ding magbago. Bagama't hindi pa napapabulaanan ang hypothesis na ito, wala kaming anumang ebidensya na pabor dito. Sa kabaligtaran, ang ilang ebidensya ay nagmumungkahi na ang pare-pareho ng grabidad ay hindi nagbago sa ganitong paraan. Ang malaking bilang na ito ay nananatiling misteryo hanggang ngayon.
Ito ay kilala na ang bawat sisingilin katawan ay may isang electric field. Maaari din itong pagtalunan na kung mayroong isang electric field, kung gayon mayroong isang sisingilin na katawan kung saan nabibilang ang patlang na ito. Kaya, kung mayroong dalawang sinisingil na katawan na may mga singil sa kuryente sa malapit, maaari nating sabihin na ang bawat isa sa kanila ay nasa electric field ng isang kalapit na katawan. At sa kasong ito, ang puwersa ay kikilos sa unang katawan
F 1 =q 1E 2 ,
saan q 1 ay ang singil ng unang katawan; E 2- lakas ng field ng pangalawang katawan. Sa pangalawang katawan, ayon sa pagkakabanggit, ang puwersa ay kikilos
F 2 =q2E 1 ,
saan q2 ay ang singil ng unang katawan; E 1- lakas ng field ng pangalawang katawan.
Ang isang de-koryenteng sisingilin na katawan ay nakikipag-ugnayan sa electric field ng isa pang naka-charge na katawan.
Kung ang mga katawan na ito ay maliit (point-like), kung gayon
E 1 =k . q 1 / r 2 ,
E 2 =k .q 2 /r2,
Maaaring kalkulahin ang mga puwersang kumikilos sa bawat isa sa mga nakikipag-ugnayang katawan na may charge na alam lamang ang kanilang mga singil at ang distansya sa pagitan nila.
Palitan ang mga halaga ng pag-igting at makuha
F 1 \u003d k. q 1 q 2 / r 2 at F 2 \u003d k. q 2 q 1 / r 2 .
Ang halaga ng bawat puwersa ay ipinahayag lamang sa pamamagitan ng halaga ng mga singil ng bawat katawan at ang distansya sa pagitan ng mga ito. Kaya, posible na matukoy ang mga puwersa na kumikilos sa bawat katawan gamit lamang ang kaalaman sa mga singil ng kuryente ng mga katawan at ang distansya sa pagitan nila. Sa batayan na ito, ang isa sa mga pangunahing batas ng electrodynamics ay maaaring mabuo - Batas ng Coulomb.
Batas ng Coulomb . Ang puwersa na kumikilos sa isang nakapirming point body na may electric charge sa larangan ng isa pang fixed point body na may electric charge ay proporsyonal sa produkto ng mga halaga ng kanilang mga singil at inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya sa pagitan nila.
Sa pangkalahatang mga termino, ang kahulugan ng puwersa na tinutukoy sa pagbabalangkas Batas ng Coulomb, ay maaaring isulat tulad nito:
F=k. q 1 q 2 / r 2 ,
Sa formula para sa pagkalkula ng puwersa ng pakikipag-ugnayan, ang mga halaga ng mga singil ng parehong mga katawan ay nakasulat. Samakatuwid, maaari nating tapusin na ang parehong mga puwersa ay pantay sa modulus. Gayunpaman, sa direksyon sila ay kabaligtaran. Kung ang mga singil ng mga katawan ay may parehong pangalan, ang mga katawan ay nagtataboy sa isa't isa (Larawan 4.48). Kung ang mga singil ng mga katawan ay iba, kung gayon ang mga katawan ay naaakit (Larawan 4.49). Sa wakas, maaari kang sumulat:
F̅ 1 = -F̅ 2 .
Kinukumpirma ng naitalang pagkakapantay-pantay ang bisa ng ikatlong batas ng dynamics ni Newton para sa mga pakikipag-ugnayang elektrikal. Samakatuwid, sa isa sa mga karaniwang formulations Batas ng Coulomb sabi niyan
ang puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang sisingilin na mga katawan ng punto ay proporsyonal sa produkto ng mga halaga ng kanilang mga singil at inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya sa pagitan nila.
Kung ang mga naka-charge na katawan ay nasa isang dielectric, kung gayon ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ay depende sa permittivity ng dielectric na ito.
F=k .q 1q 2 /ε r2.
Para sa kaginhawahan ng mga kalkulasyon batay sa batas ng Coulomb, ang halaga ng koepisyent k iba ang nakasulat:
k = 1 / 4πε 0 .
Halaga ε 0 tinawag electric constant. Ang halaga nito ay kinakalkula ayon sa kahulugan:
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 /N.m 2 . materyal mula sa site
Sa ganitong paraan, Batas ng Coulomb sa pangkalahatang kaso, maaari itong ipahayag ng formula
F= (1 / 4π ε 0 ). q 1 q 2 / ε r 2 .
Batas ng Coulomb ay isa sa mga pangunahing batas ng kalikasan. Ang lahat ng electrodynamics ay nakabatay dito, at walang isang kaso ang nabanggit kapag ang Batas ng Coulomb. Mayroon lamang isang paghihigpit na may kinalaman sa aksyon Batas ng Coulomb sa iba't ibang distansya. Ito ay pinaniniwalaan na Batas ng Coulomb gumagana sa mga distansyang higit sa 10 -16 m at mas mababa sa ilang kilometro.
Kapag nilulutas ang mga problema, kinakailangang isaalang-alang na ang batas ng Coulomb ay may kinalaman sa mga puwersa ng pakikipag-ugnayan ng mga hindi gumagalaw na mga katawan na walang paggalaw. Binabawasan nito ang lahat ng problema sa mga problema tungkol sa pakikipag-ugnayan ng mga hindi gumagalaw na naka-charge na katawan, kung saan ginagamit ang dalawang posisyon ng static:
- ang resulta ng lahat ng pwersang kumikilos sa katawan ay zero;
- ang kabuuan ng mga sandali ng mga puwersa ay katumbas ng zero.
Sa karamihan ng mga gawain para sa aplikasyon Batas ng Coulomb ito ay sapat na upang isaalang-alang lamang ang unang posisyon.
Sa pahinang ito, materyal sa mga paksa:
Isulat ang pormula para sa batas ni Coulomb
Abstract ng batas ni Coulomb
Mag-ulat sa pisika sa paksang batas ng Coulomb
-
Ang mga singil at kuryente ay mga tuntunin na obligado para sa mga kasong iyon kapag ang pakikipag-ugnayan ng mga sinisingil na katawan ay sinusunod. Ang mga puwersa ng pagtanggi at pagkahumaling ay tila nagmumula sa mga sinisingil na katawan at kumakalat nang sabay-sabay sa lahat ng direksyon, unti-unting naglalaho sa malayo. Ang puwersang ito ay minsang natuklasan ng sikat na French naturalist na si Charles Coulomb, at ang tuntunin na sinusunod ng mga kinatawan ng mga katawan ay tinawag na Coulomb's Law.
Charles Palawit
Ang Pranses na siyentipiko ay ipinanganak sa France, kung saan nakatanggap siya ng isang mahusay na edukasyon. Aktibo niyang inilapat ang nakuhang kaalaman sa mga agham ng inhinyero at gumawa ng malaking kontribusyon sa teorya ng mga mekanismo. Ang Coulomb ay ang may-akda ng mga gawa na pinag-aralan ang pagpapatakbo ng mga windmill, ang mga istatistika ng iba't ibang mga istraktura, ang pag-twist ng mga thread sa ilalim ng impluwensya ng mga panlabas na puwersa. Nakatulong ang isa sa mga gawaing ito na matuklasan ang batas ng Coulomb-Amonton, na nagpapaliwanag ng mga proseso ng friction.
Ngunit ginawa ni Charles Coulomb ang pangunahing kontribusyon sa pag-aaral ng static na kuryente. Ang mga eksperimento na isinagawa ng Pranses na siyentipikong ito ay humantong sa kanya upang maunawaan ang isa sa mga pinakapangunahing batas ng pisika. Ito ay sa kanya na utang namin ang aming kaalaman sa likas na katangian ng pakikipag-ugnayan ng mga sinisingil na katawan.
background
Ang mga puwersa ng pang-akit at pagtanggi kung saan kumikilos ang mga singil ng kuryente sa isa't isa ay nakadirekta sa tuwid na linya na nagkokonekta sa mga sinisingil na katawan. Habang tumataas ang distansya, humihina ang puwersang ito. Isang siglo pagkatapos matuklasan ni Isaac Newton ang kanyang unibersal na batas ng grabidad, ang Pranses na siyentipiko na si C. Coulomb ay nag-eksperimentong nag-eksperimento sa prinsipyo ng interaksyon sa pagitan ng mga katawan na may charge at pinatunayan na ang likas na katangian ng gayong puwersa ay katulad ng mga puwersa ng grabidad. Bukod dito, tulad ng nangyari, ang mga nakikipag-ugnay na katawan sa isang electric field ay kumikilos sa parehong paraan tulad ng anumang mga katawan na may masa sa isang gravitational field.
Coulomb na aparato
Ang scheme ng aparato kung saan ginawa ni Charles Coulomb ang kanyang mga sukat ay ipinapakita sa figure:
Tulad ng nakikita mo, sa esensya ang disenyo na ito ay hindi naiiba sa aparato na minsang ginamit ni Cavendish upang sukatin ang halaga ng pare-parehong gravitational. Ang isang insulating rod na nasuspinde sa isang manipis na sinulid ay nagtatapos sa isang metal na bola, na binibigyan ng isang tiyak na singil sa kuryente. Ang isa pang metal na bola ay nilapitan sa bola, at pagkatapos, habang papalapit ito, ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ay sinusukat sa antas ng pag-twist ng thread.
Eksperimento sa Coulomb
Iminungkahi ni Coulomb na ang kilalang Hooke's Law noon ay maaaring ilapat sa puwersa kung saan ang sinulid ay napilipit. Inihambing ng siyentipiko ang pagbabago sa puwersa sa iba't ibang distansya ng isang bola mula sa isa pa at nalaman na ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ay nagbabago ng halaga nito nang baligtad sa parisukat ng distansya sa pagitan ng mga bola. Nagawa ng palawit na baguhin ang mga halaga ng sisingilin na bola mula q hanggang q/2, q/4, q/8 at iba pa. Sa bawat pagbabago sa singil, proporsyonal na binago ng puwersa ng pakikipag-ugnayan ang halaga nito. Kaya, unti-unti, nabuo ang isang tuntunin, na kalaunan ay tinawag na "Batas ng Coulomb".
Kahulugan
Sa eksperimento, pinatunayan ng Pranses na siyentipiko na ang mga puwersa kung saan nakikipag-ugnayan ang dalawang sinisingil na katawan ay proporsyonal sa produkto ng kanilang mga singil at inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya sa pagitan ng mga singil. Ang pahayag na ito ay batas ni Coulomb. Sa anyong matematikal, maaari itong ipahayag bilang mga sumusunod:
Sa expression na ito:
- q ay ang halaga ng singil;
- d ay ang distansya sa pagitan ng mga sinisingil na katawan;
- k ay ang electrical constant.
Ang halaga ng de-koryenteng pare-pareho ay higit sa lahat ay nakasalalay sa pagpili ng yunit ng pagsukat. Sa modernong sistema, ang magnitude ng electric charge ay sinusukat sa coulombs, at ang electrical constant, ayon sa pagkakabanggit, sa newton × m 2 / coulomb 2.
Ipinakita ng mga kamakailang sukat na ang koepisyent na ito ay dapat isaalang-alang ang dielectric constant ng medium kung saan isinasagawa ang eksperimento. Ngayon ang halaga ay ipinapakita bilang ratio k=k 1 /e, kung saan ang k 1 ay ang electrical constant na pamilyar na sa amin, at hindi isang indicator ng permittivity. Sa ilalim ng mga kondisyon ng vacuum, ang halagang ito ay katumbas ng pagkakaisa.
Mga konklusyon mula sa batas ni Coulomb
Ang siyentipiko ay nag-eksperimento sa iba't ibang mga singil, sinusubukan ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga katawan na may iba't ibang mga singil. Siyempre, hindi niya masusukat ang singil ng kuryente sa anumang mga yunit - wala siyang kaalaman o naaangkop na mga instrumento. Nagawa ni Charles Coulomb na paghiwalayin ang projectile sa pamamagitan ng paghawak sa naka-charge na bola nang hindi nakakarga. Kaya nakatanggap siya ng mga fractional na halaga ng paunang bayad. Ang isang bilang ng mga eksperimento ay nagpakita na ang singil ng kuryente ay natipid, ang palitan ay nagaganap nang walang pagtaas o pagbaba sa halaga ng singil. Ang pangunahing prinsipyong ito ay naging batayan ng batas ng konserbasyon ng singil sa kuryente. Sa kasalukuyan, napatunayan na ang batas na ito ay sinusunod kapwa sa microcosm ng elementary particles at sa macrocosm ng mga bituin at galaxy.
Mga kundisyon na kinakailangan para sa katuparan ng batas ni Coulomb
Upang ang batas ay matupad nang may higit na katumpakan, ang mga sumusunod na kondisyon ay dapat matugunan:
- Ang mga singil ay dapat na punto. Sa madaling salita, ang distansya sa pagitan ng mga naobserbahang sisingilin na katawan ay dapat na mas malaki kaysa sa kanilang mga sukat. Kung ang mga sinisingil na katawan ay spherical, maaari nating ipagpalagay na ang lahat ng singil ay nasa isang punto na sentro ng globo.
- Ang mga katawan na susukatin ay dapat na nakatigil. Kung hindi, ang gumagalaw na singil ay maaapektuhan ng maraming third-party na salik, halimbawa, ang puwersa ng Lorentz, na nagbibigay sa sinisingil na katawan ng karagdagang acceleration. Pati na rin ang magnetic field ng isang gumagalaw na sisingilin na katawan.
- Ang mga naobserbahang katawan ay dapat na nasa vacuum upang maiwasan ang impluwensya ng mga daloy ng masa ng hangin sa mga resulta ng mga obserbasyon.
Batas ng Coulomb at quantum electrodynamics
Mula sa punto ng view ng quantum electrodynamics, ang pakikipag-ugnayan ng mga sisingilin na katawan ay nangyayari sa pamamagitan ng pagpapalitan ng mga virtual na photon. Ang pagkakaroon ng mga di-mapapansing particle at zero mass ngunit hindi zero charge ay hindi direktang sinusuportahan ng uncertainty principle. Ayon sa prinsipyong ito, ang isang virtual na photon ay maaaring umiral sa pagitan ng mga sandali ng paglabas ng naturang particle at ang pagsipsip nito. Kung mas maliit ang distansya sa pagitan ng mga katawan, mas kaunting oras ang ginugugol ng photon sa pagpasa sa landas, samakatuwid, mas malaki ang enerhiya ng mga inilabas na photon. Sa isang maliit na distansya sa pagitan ng mga naobserbahang singil, ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ay nagpapahintulot sa pagpapalitan ng parehong mga particle ng short-wave at long-wave, at sa malalaking distansya, ang mga short-wave photon ay hindi nakikilahok sa palitan.
Mayroon bang mga limitasyon sa paggamit ng batas ng Coulomb
Ang batas ng Coulomb ay ganap na nagpapaliwanag ng pag-uugali ng dalawang puntong singil sa isang vacuum. Ngunit pagdating sa mga tunay na katawan, dapat isaalang-alang ng isa ang volumetric na sukat ng mga sisingilin na katawan at ang mga katangian ng daluyan kung saan isinasagawa ang pagmamasid. Halimbawa, napansin ng ilang mananaliksik na ang isang katawan na may maliit na singil at puwersahang dinala sa electric field ng isa pang bagay na may malaking singil ay nagsisimulang maakit sa singil na ito. Sa kasong ito, nabigo ang assertion na ang mga katulad na sisingilin na katawan ay nagtataboy sa isa't isa, at dapat na hanapin ang isa pang paliwanag para sa naobserbahang phenomenon. Malamang, hindi natin pinag-uusapan ang isang paglabag sa batas ng Coulomb o ang prinsipyo ng pag-iingat ng singil sa kuryente - posible na sinusunod natin ang mga phenomena na hindi pa ganap na pinag-aralan hanggang sa wakas, na maipaliwanag ng agham sa ibang pagkakataon. .
