Coulombov zakon i njegova primjena u elektrotehnici

Kao što se u Newtonovoj mehanici uvijek javlja gravitacijska interakcija između tijela s masama, slično kao iu elektrodinamici, električna interakcija je karakteristična za tijela s električnim nabojem. Električni naboj se označava simbolom «q» ili «Q».

Možemo čak reći da je pojam električnog naboja q u elektrodinamici donekle sličan pojmu gravitacijske mase m u mehanici. Ali za razliku od gravitacijske mase, električni naboj karakterizira svojstvo tijela i čestica da uđu u elektromagnetske interakcije, a te interakcije, kao što razumijete, nisu gravitacijske.

Električni naboji

Ljudsko iskustvo u proučavanju električnih pojava sadrži mnoge eksperimentalne rezultate, a sve te činjenice omogućile su fizičarima da dođu do sljedećih nedvosmislenih zaključaka o električnim nabojima:

1. Električni naboji su dvije vrste — uvjetno se mogu podijeliti na pozitivne i negativne.

2.Električni naboji mogu se prenositi s jednog nabijenog objekta na drugi: na primjer, međusobnim kontaktom tijela - naboj između njih se može razdvojiti. U ovom slučaju, električni naboj uopće nije obvezna komponenta tijela: pod različitim uvjetima, isti objekt može imati naboj različite veličine i predznaka, ili može biti bez naboja. Dakle, naboj nije nešto svojstveno nositelju, au isto vrijeme naboj ne može postojati bez nositelja.

3. Dok gravitirajuća tijela uvijek privlače jedno drugo, električni se naboji mogu međusobno privlačiti i odbijati. Naboji se međusobno privlače, naboji odbijaju.

Nositelji naboja su elektroni, protoni i druge elementarne čestice. Postoje dvije vrste električnih naboja — pozitivni i negativni. Pozitivni naboji su oni koji se pojavljuju na staklu natrljanom kožom. Negativno - naboji se javljaju na jantaru natrljanom krznom. Vlasti optužene za istoimene optužbe uzvraćaju. Objekti suprotnog naboja privlače se.

Zakon održanja električnog naboja temeljni je zakon prirode, a glasi ovako: «algebarski zbroj naboja svih tijela u izoliranom sustavu ostaje konstantan». To znači da je u zatvorenom sustavu nemoguće pojavljivanje ili nestajanje naboja samo za jedan znak.

Algebarski zbroj naboja u izoliranom sustavu održava se konstantnim. Nositelji naboja mogu se kretati s jednog tijela na drugo ili se kretati unutar tijela, u molekuli, atomu. Naboj je neovisan o referentnom okviru.

Danas je znanstveno stajalište da su izvorni nositelji naboja bile elementarne čestice.Elementarne čestice neutroni (električno neutralni), protoni (pozitivno nabijeni) i elektroni (negativno nabijeni) čine atome.

Jezgre atoma sastoje se od protona i neutrona, a elektroni tvore ljuske atoma. Moduli naboja elektrona i protona po veličini su jednaki elementarnom naboju e, ali su po predznaku naboji tih čestica međusobno suprotni.

Međudjelovanje električnih naboja — Coulombov zakon

Što se tiče neposredne međusobne interakcije električnih naboja, onda je 1785. godine francuski fizičar Charles Coulomb eksperimentalno ustanovio i opisao ovaj osnovni zakon elektrostatike, osnovni zakon prirode, koji ne proizlazi ni iz jednog drugog zakona. Znanstvenik u svom radu proučava interakciju stacionarnih točkastih nabijenih tijela i mjeri sile njihovog međusobnog odbijanja i privlačenja.

Coulomb je eksperimentalno utvrdio sljedeće: "Sile međudjelovanja stacionarnih naboja izravno su proporcionalne umnošku modula i obrnuto proporcionalne kvadratu udaljenosti između njih."

Ovo je formulacija Coulombovog zakona. I premda točkasti naboji ne postoje u prirodi, samo u smislu točkastih naboja možemo govoriti o udaljenosti između njih, unutar ove formulacije Coulombova zakona.

Zapravo, ako udaljenosti između tijela znatno premašuju njihovu veličinu, tada niti veličina niti oblik nabijenih tijela neće posebno utjecati na njihovu interakciju, što znači da se tijela za ovaj problem s pravom mogu smatrati točkastima.

Pogledajmo primjer. Objesimo nekoliko nabijenih kuglica na konce.Budući da su na neki način nabijeni, oni će ili odbijati ili privlačiti. Budući da su sile usmjerene duž pravca koji povezuje ta tijela, to su središnje sile.

Da bismo označili sile koje djeluju na svaki od naboja iz drugoga, napisat ćemo: F12 je sila drugog naboja na prvi, F21 je sila prvog naboja na drugi, r12 je radijus vektor iz drugog točkasti naboj na prvi. Ako naboji imaju isti predznak, tada će sila F12 biti zajedno usmjerena na radijus vektor, ali ako naboji imaju različite predznake, tada će sila F12 biti usmjerena protiv radijus vektora.

Koristeći zakon međudjelovanja točkastih naboja (Coulombov zakon), sila međudjelovanja sada se može pronaći za bilo koje točkaste naboje ili tijela točkastih naboja. Ako tijela nisu točkasta, mentalno su razbijena na pastele elemenata od kojih se svaki može uzeti kao točkasti naboj.

Nakon pronalaženja sila koje djeluju između svih malih elemenata, te se sile geometrijski zbrajaju — pronalaze rezultantnu silu. Elementarne čestice također međusobno djeluju prema Coulombovom zakonu i do danas nisu uočena nikakva kršenja tog temeljnog zakona elektrostatike.

Primjena Coulombova zakona u elektrotehnici

Ne postoji područje u modernoj elektrotehnici gdje Coulombov zakon ne djeluje u ovom ili onom obliku. Počevši od električne struje, završavajući jednostavno nabijenim kondenzatorom. Pogotovo ona područja koja se bave elektrostatikom — ona su 100% vezana uz Coulombov zakon. Pogledajmo samo nekoliko primjera.

Najjednostavniji slučaj je uvođenje dielektrika.Sila međudjelovanja naboja u vakuumu uvijek je veća od sile međudjelovanja istih naboja u uvjetima kada se između njih nalazi neka vrsta dielektrika.

Dielektrična konstanta medija je upravo ona vrijednost koja vam omogućuje kvantitativno određivanje vrijednosti sila, bez obzira na udaljenost između naboja i njihove veličine. Dovoljno je podijeliti silu međudjelovanja naboja u vakuumu s dielektričnom konstantom uvedenog dielektrika - dobivamo silu međudjelovanja u prisutnosti dielektrika.

Sofisticirana istraživačka oprema — akcelerator čestica. Rad akceleratora nabijenih čestica temelji se na fenomenu međudjelovanja električnog polja i nabijenih čestica. Električno polje obavlja rad u akceleratoru, povećavajući energiju čestice.

Ako ovdje ubrzanu česticu promatramo kao točkasti naboj, a djelovanje akcelerirajućeg električnog polja akceleratora kao ukupnu silu od ostalih točkastih naboja, tada se u tom slučaju u potpunosti poštuje Coulombov zakon.Magnetsko polje usmjerava česticu samo kroz Lorentzovu silu, ali ne mijenja svoju energiju, već samo postavlja putanju kretanja čestica u akceleratoru.

Zaštitne električne konstrukcije. Važne električne instalacije uvijek su opremljene nečim na prvi pogled jednostavnim kao što je gromobran. I gromobran u svom radu također ne prolazi bez poštivanja Coulombovog zakona. Za vrijeme grmljavinske oluje na Zemlji se pojavljuju veliki inducirani naboji — prema Coulombovom zakonu privlače se u smjeru grmljavinskog oblaka. Rezultat je jako električno polje na zemljinoj površini.

Intenzitet ovog polja je posebno visok u blizini oštrih vodiča, pa se stoga na šiljastom kraju gromobrana zapali koronalno pražnjenje - naboj sa Zemlje nastoji, poštujući Coulombov zakon, biti privučen nabojem suprotnim od munje. oblak.

Zrak u blizini gromobrana je visoko ioniziran kao rezultat koronskog pražnjenja. Kao rezultat toga, jakost električnog polja u blizini vrha se smanjuje (kao i unutar svake žice), inducirani naboji se ne mogu akumulirati na zgradi, a vjerojatnost munje je smanjena. Ako se dogodi da grom udari u gromobran, tada će naboj jednostavno otići na Zemlju i neće oštetiti instalaciju.