Coulombov zakon in njegova uporaba v elektrotehniki

Tako kot v Newtonovi mehaniki vedno prihaja do gravitacijske interakcije med telesi z masami, je podobno kot v elektrodinamiki električna interakcija značilna za telesa z električnim nabojem. Električni naboj je označen s simbolom «q» ali «Q».

Lahko celo rečemo, da je koncept električnega naboja q v elektrodinamiki nekoliko podoben konceptu gravitacijske mase m v mehaniki. Toda za razliko od gravitacijske mase električni naboj označuje lastnost teles in delcev, da vstopijo v elektromagnetne interakcije, in te interakcije, kot razumete, niso gravitacijske.

Električni naboji

Človeške izkušnje pri preučevanju električnih pojavov vsebujejo veliko eksperimentalnih rezultatov in vsa ta dejstva so fizikom omogočila, da so prišli do naslednjih nedvoumnih zaključkov o električnih nabojih:

1. Električni naboji so dveh vrst - pogojno jih lahko razdelimo na pozitivne in negativne.

2.Električni naboji se lahko prenašajo z enega naelektrenega predmeta na drugega: na primer tako, da se telesa med seboj dotaknejo - naboj med njimi se lahko loči. V tem primeru električni naboj sploh ni obvezna sestavina telesa: v različnih pogojih ima isti predmet lahko naboj različne velikosti in predznaka ali pa nima naboja. Tako naboj ni nekaj lastnega nosilcu, hkrati pa naboj brez nosilca ne more obstajati.

3. Medtem ko se gravitacijska telesa med seboj vedno privlačijo, se električni naboji lahko privlačijo in odbijajo. Enaki naboji se medsebojno privlačijo, enaki naboji odbijajo.

Nosilci naboja so elektroni, protoni in drugi osnovni delci. Obstajata dve vrsti električnih nabojev - pozitivni in negativni. Pozitivni naboji so tisti, ki se pojavijo na steklu, podrgnjenem z usnjem. Negativno – naboji se pojavljajo na jantarju, nadrgnjenem s krznom. Organi, obtoženi istoimenskih obtožb, odgovarjajo. Predmeti z nasprotnimi naboji se privlačijo.

Zakon o ohranitvi električnega naboja je temeljni zakon narave, glasi se takole: "algebraična vsota nabojev vseh teles v izoliranem sistemu ostane konstantna". To pomeni, da v zaprtem sistemu pojav ali izginotje nabojev samo za en znak ni mogoč.

Algebraična vsota nabojev v izoliranem sistemu ostane konstantna. Nosilci naboja se lahko premikajo iz enega telesa v drugo ali pa se premikajo znotraj telesa, v molekuli, atomu. Naboj je neodvisen od referenčnega okvira.

Danes je znanstveno mnenje, da so bili prvotni nosilci naboja osnovni delci.Elementarni delci nevtroni (električno nevtralni), protoni (pozitivno nabiti) in elektroni (negativno nabiti) sestavljajo atome.

Jedra atomov so sestavljena iz protonov in nevtronov, elektroni pa tvorijo lupine atomov. Modula nabojev elektrona in protona sta po velikosti enaka osnovnemu naboju e, po znaku pa sta naboja teh delcev nasprotna drug drugemu.

Interakcija električnih nabojev — Coulombov zakon

Kar se tiče neposredne interakcije električnih nabojev med seboj, je leta 1785 francoski fizik Charles Coulomb eksperimentalno vzpostavil in opisal ta osnovni zakon elektrostatike, osnovni zakon narave, ki ne izhaja iz nobenih drugih zakonov. V svojem delu znanstvenik proučuje interakcijo mirujočih točkasto nabitih teles in meri sile njihovega medsebojnega odbijanja in privlačnosti.

Coulomb je eksperimentalno ugotovil naslednje: "Sile interakcije stacionarnih nabojev so neposredno sorazmerne s produktom modulov in obratno sorazmerne s kvadratom razdalje med njimi."

To je formulacija Coulombovega zakona. In čeprav točkasti naboji v naravi ne obstajajo, lahko v okviru te formulacije Coulombovega zakona o razdalji med njimi govorimo le v smislu točkastih nabojev.

Dejansko, če razdalje med telesi znatno presegajo njihove velikosti, potem niti velikost niti oblika nabitih teles ne bosta posebej vplivali na njihovo interakcijo, kar pomeni, da lahko telesa za to težavo pravično štejemo za točkasta.

Poglejmo si primer. Na vrvice obesimo naelektrene kroglice.Ker so na nek način naelektreni, bodo bodisi odbijali bodisi privlačili. Ker so sile usmerjene vzdolž premice, ki povezuje ta telesa, so to središčne sile.

Za označevanje sil, ki delujejo na vsakega od nabojev iz drugega, bomo zapisali: F12 je sila drugega naboja na prvega, F21 je sila prvega naboja na drugega, r12 je polmerni vektor iz drugega točkovni naboj na prvo. Če imata naboja enak predznak, bo sila F12 skupaj usmerjena na vektor radija, če pa imata naboja različen predznak, bo sila F12 usmerjena proti vektorju radija.

Z uporabo zakona o medsebojnem delovanju točkastih nabojev (Coulombov zakon) lahko zdaj najdemo interakcijsko silo za vse točkaste naboje ali točkasta nabojna telesa. Če telesa niso koničasta, so miselno razčlenjena na pastele elementov, od katerih lahko vsakega vzamemo kot točkovni naboj.

Po ugotovitvi sil, ki delujejo med vsemi majhnimi elementi, se te sile geometrijsko seštejejo – najdejo rezultantno silo. Elementarni delci medsebojno delujejo tudi po Coulombovem zakonu in do danes niso opazili kršitev tega temeljnega zakona elektrostatike.

Uporaba Coulombovega zakona v elektrotehniki

V sodobni elektrotehniki ni področja, kjer Coulombov zakon ne bi deloval v takšni ali drugačni obliki. Začenši z električnim tokom, konča s preprosto napolnjenim kondenzatorjem. Predvsem tista področja, ki se ukvarjajo z elektrostatiko — so 100% povezana s Coulombovim zakonom. Poglejmo le nekaj primerov.

Najenostavnejši primer je uvedba dielektrika.Sila interakcije nabojev v vakuumu je vedno večja od sile interakcije istih nabojev v pogojih, ko je med njimi nekakšen dielektrik.

Dielektrična konstanta medija je ravno tista vrednost, ki vam omogoča, da kvantitativno določite vrednosti sil, ne glede na razdaljo med naboji in njihove velikosti. Dovolj je, da silo interakcije nabojev v vakuumu delimo z dielektrično konstanto vnesenega dielektrika - dobimo silo interakcije v prisotnosti dielektrika.

Sofisticirana raziskovalna oprema — pospeševalnik delcev. Delovanje pospeševalnikov nabitih delcev temelji na pojavu interakcije električnega polja in nabitih delcev. Električno polje deluje v pospeševalniku in povečuje energijo delca.

Če tukaj obravnavamo pospešeni delec kot točkasti naboj, delovanje pospeševalnega električnega polja pospeševalnika pa kot skupno silo drugih točkastih nabojev, potem je v tem primeru v celoti upoštevan Coulombov zakon.Magnetno polje usmerja delec le skozi Lorentzovo silo, vendar ne spremeni njene energije, ampak samo nastavi tirnico gibanja delcev v pospeševalniku.

Zaščitne električne konstrukcije. Pomembne električne napeljave so vedno opremljene z nečim, na prvi pogled tako preprostim, kot je strelovod. In strelovod pri svojem delu tudi ne mine brez upoštevanja Coulombovega zakona. Med nevihto se na Zemlji pojavijo veliki inducirani naboji, ki se po Coulombovem zakonu privlačijo v smeri nevihtnega oblaka. Rezultat je močno električno polje na zemeljski površini.

Intenzivnost tega polja je še posebej visoka v bližini ostrih vodnikov, zato se na koničastem koncu strelovoda vžge koronalna razelektritev - naboj iz Zemlje teži po Coulombovem zakonu, da ga pritegne nasprotni naboj strele. oblak.

Zrak v bližini strelovoda je zaradi koronske razelektritve močno ioniziran. Posledično se jakost električnega polja ob konici zmanjša (kot tudi znotraj vsake žice), inducirani naboji se ne morejo kopičiti na zgradbi in zmanjšana je verjetnost strele. Če se zgodi, da strela udari v strelovod, bo naboj preprosto šel na Zemljo in ne bo poškodoval napeljave.