Кулонов закон и његова примена у електротехници

Као што се у Њутновој механици увек јавља гравитациона интеракција између тела са масама, слично као у електродинамици, електрична интеракција је карактеристична за тела са електричним наелектрисањем. Електрични набој је означен симболом «к» или «К».

Можемо чак рећи да је концепт електричног наелектрисања к у електродинамици донекле сличан концепту гравитационе масе м у механици. Али за разлику од гравитационе масе, електрични набој карактерише својство тела и честица да улазе у електромагнетне интеракције, а ове интеракције, као што разумете, нису гравитационе.

Електрични набоји

Људско искуство у проучавању електричних појава садржи многе експерименталне резултате, а све ове чињенице омогућиле су физичарима да дођу до следећих недвосмислених закључака о електричним наелектрисањем:

1. Електрична наелектрисања су два типа — условно се могу поделити на позитивна и негативна.

2.Електрични набоји се могу пренети са једног наелектрисаног објекта на други: на пример, додирујући тела једно са другим - наелектрисање између њих се може раздвојити. У овом случају, електрични набој уопште није обавезна компонента тела: под различитим условима, исти објекат може имати наелектрисање различите величине и знака, а може и да нема наелектрисање. Дакле, наелектрисање није нешто својствено носачу, а у исто време наелектрисање не може постојати без носача.

3. Док гравитирајућа тела увек привлаче једно друго, електрична наелектрисања могу да се привлаче и одбијају. Слични набоји се међусобно привлаче, као набоји одбијају.

Носиоци наелектрисања су електрони, протони и друге елементарне честице. Постоје две врсте електричних наелектрисања - позитивно и негативно. Позитивни набоји су они који се појављују на стаклу истрљаном кожом. Негативно - Наелектрисања се јављају на ћилибару протрљаном крзном. Власти оптужене за истоимене оптужбе повлаче. Предмети са супротним наелектрисањем привлаче једни друге.

Закон одржања електричног наелектрисања је основни закон природе, он гласи овако: „алгебарски збир наелектрисања свих тела у изолованом систему остаје константан“. То значи да је у затвореном систему немогућа појава или нестанак наелектрисања само за један знак.

Алгебарски збир наелектрисања у изолованом систему је константан. Носачи наелектрисања могу да се крећу од једног тела до другог или да се крећу унутар тела, у молекулу, атому. Наплата је независна од референтног оквира.

Данас је научни став да су првобитно носиоци наелектрисања биле елементарне честице.Елементарне честице неутрони (електрично неутрални), протони (позитивно наелектрисани) и електрони (негативно наелектрисани) чине атоме.

Језгра атома се састоје од протона и неутрона, а електрони формирају љуске атома. Модули наелектрисања електрона и протона су по величини једнаки елементарном наелектрисању е, али су по знаку наелектрисања ових честица супротна једна другој.

Интеракција електричних набоја — Кулонов закон

Што се тиче директне интеракције електричних наелектрисања међусобно, онда је 1785. године француски физичар Шарл Кулон експериментално установио и описао овај основни закон електростатике, основни закон природе, који не следи ни из једног другог закона. Научник у свом раду проучава интеракцију стационарних тачкасто наелектрисаних тела и мери силе њиховог међусобног одбијања и привлачења.

Кулон је експериментално установио следеће: „Силе интеракције стационарних наелектрисања су директно пропорционалне производу модула и обрнуто пропорционалне квадрату растојања између њих.“

Ово је формулација Кулоновог закона. И иако тачкаста наелектрисања не постоје у природи, само у смислу тачкастих наелектрисања можемо говорити о удаљености између њих, у оквиру ове формулације Кулоновог закона.

У ствари, ако растојања између тела знатно премашују њихове величине, онда ни величина ни облик наелектрисаних тела неће посебно утицати на њихову интеракцију, што значи да се тела за овај проблем с правом могу сматрати тачкастим.

Погледајмо пример. Хајде да окачимо неке наелектрисане куглице на конце.Пошто су на неки начин набијене, или ће одбијати или привлачити. Пошто су силе усмерене дуж праве линије која повезује ова тела, то су централне силе.

Да бисмо означили силе које делују на свако од наелектрисања другог, записаћемо: Ф12 је сила другог наелектрисања на прво, Ф21 је сила првог наелектрисања на друго, р12 је полупречник вектора од другог. тачка набој до првог. Ако наелектрисања имају исти предзнак, тада ће сила Ф12 бити заједно усмерена на радијус вектор, али ако наелектрисања имају различите предзнаке, тада ће сила Ф12 бити усмерена против радијус вектора.

Користећи закон интеракције тачкастих наелектрисања (Кулонов закон), сила интеракције се сада може пронаћи за било која тачкаста наелектрисања или тела тачкастог наелектрисања. Ако тела нису тачкастог облика, ментално се разбијају на пастеле елемената, од којих се сваки може узети као тачкасти набој.

Након проналажења сила које делују између свих малих елемената, ове силе се сабирају геометријски - проналазе резултујућу силу. Елементарне честице такође ступају у интеракцију једна са другом према Кулоновом закону и до данас није уочено кршење овог фундаменталног закона електростатике.

Примена Кулоновог закона у електротехници

Не постоји област у савременој електротехници где Кулонов закон не функционише у овом или оном облику. Почевши од електричне струје, завршавајући једноставно напуњеним кондензатором. Посебно оне области које се баве електростатиком — оне су 100% повезане са Кулоновим законом. Погледајмо само неколико примера.

Најједноставнији случај је увођење диелектрика.Сила интеракције наелектрисања у вакууму је увек већа од силе интеракције истих наелектрисања под условима када се између њих постави нека врста диелектрика.

Диелектрична константа медија је управо та вредност која вам омогућава да квантитативно одредите вредности сила, без обзира на растојање између наелектрисања и њихове величине. Довољно је поделити силу интеракције наелектрисања у вакууму са диелектричном константом унешеног диелектрика — добијамо силу интеракције у присуству диелектрика.

Софистицирана истраживачка опрема — акцелератор честица. Рад акцелератора наелектрисаних честица заснива се на феномену интеракције електричног поља и наелектрисаних честица. Електрично поље ради у акцелератору, повећавајући енергију честице.

Ако овде посматрамо убрзану честицу као тачкасто наелектрисање, а дејство убрзавајућег електричног поља акцелератора као укупну силу од других тачкастих наелектрисања, онда се у овом случају у потпуности поштује Кулонов закон.Магнетно поље усмерава честицу само кроз Лоренцове силе, али не мења своју енергију, већ само поставља путању кретања честица у акцелератору.

Заштитне електричне конструкције. Важне електричне инсталације су увек опремљене нечим на први поглед једноставним као што је громобран. И громобран у свом раду такође не пролази без поштовања Кулоновог закона. Током грмљавине, на Земљи се појављују велика индукована наелектрисања — према Кулоновом закону, привлаче се у правцу олујног облака. Резултат је јако електрично поље на површини земље.

Интензитет овог поља је посебно висок у близини оштрих проводника, па се због тога коронално пражњење запали на шиљатом крају громобрана — наелектрисање са Земље тежи, поштујући Кулонов закон, да буде привучено супротним наелектрисањем грома. облак.

Ваздух у близини громобрана је високо јонизован као резултат коронског пражњења. Као резултат тога, јачина електричног поља у близини врха се смањује (као и унутар било које жице), индукована наелектрисања се не могу акумулирати на згради, а вероватноћа муње је смањена. Ако се деси да гром удари у громобран, онда ће пуњење једноставно отићи на Земљу и неће оштетити инсталацију.