Закон Кулона: формула, визначення, застосування на практиці

У електростатики одним з основоположних є закон Кулона. Він застосовується у фізиці для визначення сили взаємодії двох нерухомих точкових зарядів або відстані між ними. Це фундаментальний закон природи, який не залежить ні від яких інших законів. Тоді форма реального тіла не впливає на величину сил. У цій статті ми розповімо простою мовою закон Кулона і його застосування на практиці.

Історія відкриття

Ш.О. Кулон в 1785 р вперше експериментально довів взаємодії описані законом. У своїх дослідах він використовував спеціальні крутильні ваги. Однак ще в 1773 році було доведено Кавендишем, на прикладі сферичного конденсатора, що всередині сфери відсутня електричне поле. Це говорило про те, що електростатичні сили змінюються в залежності від відстані між тілами. Якщо бути точніше – квадрату відстані. Тоді його дослідження не були опубліковані. Історично склалося так, що це відкриття було названо на честь Кулона, аналогічну назву носить і величина, в якій вимірюється заряд.

формулювання

Визначення закону Кулона говорить: У вакуумі F взаємодії двох заряджених тіл прямо пропорційно добутку їх модулів і обернено пропорційно квадрату відстані між ними.

Звучить коротко, але може бути не всім зрозуміло. Простими словами: Чим більший заряд мають тіла і чим ближче вони знаходяться один до одного, тим більше сила.

І навпаки: Якщо збільшити відстань межу зарядами – сила стане менше.

Формула правила Кулона виглядає так:

Позначення букв: q – величина заряду, r – відстань межу ними, k – коефіцієнт, залежить від обраної системи одиниць.

Величина заряду q може бути умовно-позитивної або умовно-негативною. Цей поділ досить умовно. При зіткненні тіл вона може передаватися від одного до іншого. Звідси випливає, що один і той же тіло може мати різний за величиною і знаку заряд. Точковим називається такий заряд або тіло, розміри якого багато менше, ніж відстань можливої ​​взаємодії.

Варто враховувати що середовище, в якій розташовані заряди, впливає на F взаємодії. Так як в повітрі і в вакуумі вона майже дорівнює, відкриття Кулона застосовується лише для цих середовищ, це одна з умов застосування цього виду формули. Як вже було сказано, в системі СІ одиниця вимірювання заряду – Кулон, скорочено Кл. Вона характеризує кількість електрики в одиницю часу. Є похідною від основних одиниць СІ.

1 Кл = 1 А * 1 з

Варто відзначити, що розмірність 1 Кл надлишкова. Через те що носії відштовхуються одна від одної їх складно утримати в невеликому тілі, хоча сам по собі ток в 1А невеликий, якщо він протікає в провіднику. Наприклад в тій же лампі розжарювання на 100 Вт тече струм в 0,5 А, а в електрообігрівачі та більше 10 А. Така сила (1 Кл) приблизно дорівнює діючої на тіло масою 1 т з боку земної кулі.

Ви могли помітити, що формула практично така ж, як і в гравітаційній взаємодії, тільки якщо в ньютонівської механіці фігурують маси, то в електростатики – заряди.

Формула Кулона для діелектричної середовища

Коефіцієнт з урахуванням величин системи СІ визначається в Н2* м2/ Кл2. Він дорівнює:

У багатьох підручниках цей коефіцієнт можна зустріти у вигляді дробу:

тут Е0= 8,85 * 10-12 Кл2 / Н * м2 – це електрична постійна. Для діелектрика додається E – діелектрична проникність середовища, тоді закон Кулона може застосовуватися для розрахунків сил взаємодії зарядів для вакууму і середовища.

З урахуванням впливу діелектрика має вигляд:

Звідси ми бачимо, що введення діелектрика між тілами знижує силу F.

Як спрямовані сили

Заряди взаємодіють один з одним в залежності від їх полярності – однакові відштовхуються, а різнойменні (протилежні) притягуються.

До речі це головна відмінність від подібного закону гравітаційної взаємодії, де тіла завжди притягуються. Сили спрямовані уздовж лінії, проведеної між ними, називають радіус-вектором. У фізиці позначають як r12 і як радіус-вектор від першого до другого заряду і навпаки. Сили спрямовані від центру заряду до протилежного заряду уздовж цієї лінії, якщо заряди протилежні, і в зворотний бік, якщо вони однойменні (два позитивних або два негативних). У векторному вигляді:

Сила, прикладена до першого заряду з боку другого позначається як F12. Тоді в векторній формі закон Кулона виглядає наступним чином:

Для визначення сили прикладеної до другого заряду використовуються позначення F21 і R21.

Якщо тіло має складну форму і воно досить велике, що при заданій відстані не може вважатися точковим, тоді його розбивають на маленькі ділянки і вважають кожну ділянку як точковий заряд. Після геометричного складання всіх одержані векторів отримують результуючу силу. Атоми і молекули взаємодіють один з одним за цим же законом.

Застосування на практиці

Роботи Кулона дуже важливі в електростатики, на практиці вони застосовується в цілому ряді винаходів і пристроїв. Яскравим прикладом можна виділити блискавковідвід. З його допомогою захищають будівлі і електроустановки від грози, запобігаючи тим самим пожежа і вихід з ладу обладнання. Коли йде дощ з грозою на землі з’являється індукований заряд великої величини, вони притягуються в сторону хмари. Виходить так, що на поверхні землі з’являється велика електричне поле. Біля вістря громовідводу воно має велику величину, в результаті цього від вістря запалюється коронний розряд (від землі, через блискавковідвід до хмари). Заряд від землі притягується до протилежного заряду хмари, відповідно до закону Кулона. Повітря іонізується, а напруженість електричного поля зменшується поблизу кінця громовідводу. Таким чином, заряди не накопичуються на будівлі, в такому випадку ймовірність удару блискавки мала. Якщо ж удар в будівлю і станеться, то через блискавковідвід вся енергія піде в землю.

У серйозних наукових дослідженнях застосовують найбільше спорудження 21 століття – прискорювач частинок. У ньому електричне поле виконує роботу по збільшенню енергії частинки. Розглядаючи ці процеси з точки зору впливу на точковий заряд групою зарядів, тоді все співвідношення закону виявляються справедливими.

Наостанок рекомендуємо переглянути відео, на якому надано докладне пояснення Закону Кулона:

Корисне по темі:

Ссылка на основную публикацию