ثالثا. أساسيات الديناميكا الكهربائية

الموضوع 1.1 الرسوم الكهربائية.

القسم 1 أساسيات الديناميكا الكهربائية

1. كهربة الهيئات. مفهوم مقدار الشحنة.

قانون الحفظ.

2. قوى التفاعل بين الشحنات.

قانون كولوم.

3. السماحية العازلة للوسط.

4. النظام الدولي للوحدات في الكهرباء.

1. كهربة الهاتف. مفهوم مقدار الشحنة.

قانون الحفظ.

إذا تم وضع سطحين على اتصال وثيق ، فحينئذٍ متوفرة انتقال الإلكترون من سطح إلى آخر ، بينما تظهر الشحنات الكهربائية على هذه الأسطح.

هذه الظاهرة تسمى الكهرباء. أثناء الاحتكاك ، تزداد مساحة التلامس الوثيق للأسطح ، ويزداد أيضًا حجم الشحنة على السطح - وتسمى هذه الظاهرة بالكهرباء عن طريق الاحتكاك.

في عملية الكهربة ، يتم إعادة توزيع الشحنات ، ونتيجة لذلك يتم شحن كلا السطحين بنفس المقدار ، مقابل رسوم الإشارة.

لان جميع الإلكترونات لها نفس الشحنات (سالبة) e \ u003d 1.6 10 C ، ثم لتحديد الشحنة على السطح (q) ، تحتاج إلى معرفة عدد الإلكترونات الزائدة أو النقص على السطح (N) و شحنة إلكترون واحد.

في عملية الكهربة ، لا تظهر الشحنات الجديدة أو تختفي ، ولكنها تحدث فقط. إعادة التوزيعبين الأجسام أو أجزاء الجسم ، وبالتالي تظل الشحنة الكلية لنظام مغلق من الأجسام ثابتة ، وهذا هو معنى قانون حفظ الرسوم.

2. قوى التفاعل بين الشحنات.

قانون كولوم.

تتفاعل الشحنات الكهربائية مع بعضها البعض ، كونها على مسافة ، بينما الشحنات المتشابهة تتنافر ، وعلى عكس الشحنات تجتذب.

اكتشف لأول مرة يختبرالتي تعتمد عليها قوة التفاعل بين الشحنات ، استنتج العالم الفرنسي كولوم واستنتج قانونًا يسمى قانون كولوم. القانون الأساسي أي بناء على الخبرات. في اشتقاق هذا القانون ، استخدم كولوم ميزان الالتواء.

3) ك - المعامل الذي يعبر عن الاعتماد على البيئة.

صيغة قانون كولوم.

تتناسب قوة التفاعل بين شحنتين ثابتتين بشكل مباشر مع ناتج مقادير هذه الشحنات وتتناسب عكسياً مع مربع المسافات بينهما ، وتعتمد على البيئة التي توجد فيها هذه الشحنات ، ويتم توجيهها على طول خط مستقيم يربط بين مراكز هذه الرسوم.

3. سماحية العازلة للوسط.

E هو ثابت العزل الكهربائي للوسيط ، ويعتمد على الوسط المحيط بالشحنات.

E \ u003d 8.85 * 10 - ثابت فيزيائي ، سماحية الفراغ.

E - السماحية النسبية للوسط ، توضح عدد المرات التي تكون فيها قوة التفاعل بين الشحنات النقطية في الفراغ أكبر منها في وسط معين. في الفراغ ، أقوى تفاعل بين الشحنات.

4. النظام الدولي للوحدات في الكهرباء.

الوحدة الأساسية للكهرباء في نظام SI هي التيار في 1A ، وجميع وحدات القياس الأخرى مشتقة من 1Ampere.

1Cl - مقدار الشحنة الكهربائية التي تحملها الجسيمات المشحونة عبر المقطع العرضي للموصل بقوة تيار 1A لمدة 1 ثانية.

ف = ن ؛

الموضوع 1.2 الحقل الكهربائي

1. المجال الكهربائي - كنوع خاص من المواد.

6. العلاقة بين فرق الجهد وشدة المجال الكهربائي.

1. المجال الكهربائي - كنوع خاص من المادة.

في الطبيعة ، كنوع من المادة ، يوجد مجال كهرومغناطيسي. في حالات مختلفة ، يتجلى المجال الكهرومغناطيسي بطرق مختلفة ، على سبيل المثال ، بالقرب من الشحنات الثابتة ، يتجلى فقط مجال كهربائي ، وهو ما يسمى الكهروستاتيكي. بالقرب من الشحنات المتنقلة ، يمكن للمرء اكتشاف المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، والتي تمثل معًا الحقول الكهرومغناطيسية.

ضع في اعتبارك خصائص المجالات الكهروستاتيكية:

1) يتم إنشاء مجال إلكتروستاتيكي بواسطة الشحنات الثابتة ، ويمكن اكتشاف هذه الحقول

بمساعدة رسوم الاختبار (شحنة موجبة صغيرة) ، لأن فقط عليهم ، يمارس المجال الكهربائي تأثيرًا قويًا يطيع قانون كولوم.

2. شدة المجال الكهربائي.

المجال الكهربائي كنوع من المادة له طاقة وكتلة وينتشر في الفضاء بسرعة محدودة وليس له حدود نظرية.

من الناحية العملية ، يعتبر أنه لا يوجد مجال إذا لم يكن له تأثير ملحوظ على رسوم الاختبار.

نظرًا لأنه يمكن اكتشاف المجال باستخدام تأثير القوة على شحنات الاختبار ، فإن السمة الرئيسية للمجال الكهربائي هي توتر.

إذا تم إدخال رسوم اختبار بأحجام مختلفة في نفس النقطة من المجال الكهربائي ، فهناك علاقة تناسبية مباشرة بين القوة المؤثرة وحجم شحنة الاختبار.

معامل التناسب بين القوة المؤثرة وحجم الشحنة هو شدة E.

E \ u003d - صيغة لحساب شدة المجال الكهربائي ، إذا كانت q \ u003d 1 C ، إذن | ه | = | F |

التوتر هو سمة القوة المميزة لنقاط المجال الكهربائي ، لأن إنه يساوي عدديًا القوة المؤثرة على شحنة مقدارها 1 ج عند نقطة معينة في المجال الكهربائي.

التوتر هو كمية متجهية ، متجه الشدة يتزامن في الاتجاه مع متجه القوة الذي يعمل على شحنة موجبة في نقطة معينة من المجال الكهربائي.

3. خطوط شدة المجال الكهربائي. مجال كهربائي متجانس.

من أجل تصور المجال الكهربائي ، أي بيانيا ، استخدم خطوط شدة المجال الكهربائي. هذه هي هذه الخطوط ، التي تسمى بخلاف ذلك خطوط القوة ، التي تتطابق في الاتجاه مع متجهات الشدة عند نقاط المجال الكهربائي التي تمر من خلالها هذه الخطوط ،

خطوط التوتر لها الخصائص التالية:

1) ابدأ من نقطة البيع. تنتهي الشحنات - بالسالب ، أو تبدأ بالإيجابية. يشحن ويذهب إلى ما لا نهاية ، أو يأتي من اللانهاية وينتهي بشحنات موجبة ..

2) هذه الخطوط مستمرة ولا تتقاطع في أي مكان.

3) كثافة الخط (عدد الخطوط لكل وحدة مساحة) وشدة المجال الكهربائي في علاقة مباشرة وتناسبية.

في المجال الكهربائي المنتظم ، تكون الشدة في جميع نقاط المجال هي نفسها ؛ رسمياً ، يتم تصوير هذه الحقول بخطوط متوازية على مسافة متساوية من بعضها البعض. يمكن الحصول على مثل هذا المجال بين لوحين متوازيين مشحونين على مسافة صغيرة من بعضهما البعض.

4. العمل على حركة الشحنة في مجال كهربائي.

دعونا نضع شحنة كهربائية في مجال كهربائي موحد. ستعمل القوات على التهمة من جانب الميدان. إذا تم نقل الشحنة ، يمكن إنجاز العمل.

عمل مثالي على المؤامرات:

A \ u003d q E d - صيغة لحساب عمل تحريك الشحنة في مجال كهربائي.

الخلاصة: لا يعتمد عمل تحريك شحنة في مجال كهربائي على شكل المسار ، ولكنه يعتمد على مقدار الشحنة التي يتم تحريكها (q) ، وشدة المجال (E) ، وكذلك على اختيار نقاط بداية ونهاية الحركة (د).

إذا تم تحريك شحنة في مجال كهربائي على طول دائرة مغلقة ، فسيكون الشغل المنجز مساويًا لـ 0. تسمى هذه الحقول الحقول المحتملة. تمتلك الهيئات في مثل هذه المجالات طاقة كامنة ، أي تحتوي الشحنة الكهربائية في أي نقطة من المجال الكهربائي على طاقة ، والعمل المنجز في المجال الكهربائي يساوي الفرق في طاقات جهد الشحنة عند نقطتي الحركة الأولية والنهائية.

5. المحتملة. التباينات المحتملة. الجهد االكهربى.

إذا تم وضع شحنة بأحجام مختلفة في نقطة معينة من المجال الكهربائي ، فإن الطاقة الكامنة للشحنة وحجمها يتناسبان بشكل مباشر.

- (فاي) نقطة المجال الكهربائي

قبول

الإمكانات هي خاصية طاقة لنقاط المجال الكهربائي ، لأن إنها تساوي عدديًا الطاقة الكامنة لشحنة مقدارها 1 ج عند نقطة معينة في المجال الكهربائي.

على مسافات متساوية من شحنة نقطية ، فإن إمكانات نقاط المجال هي نفسها. تشكل هذه النقاط سطحًا له إمكانات متساوية ، وتسمى هذه الأسطح الأسطح متساوية الجهد. على متن الطائرة هي عبارة عن دوائر ، في الفضاء هي مجالات.

الجهد االكهربى

صيغ لحساب عمل تحريك شحنة في مجال كهربائي.

1V هو الجهد بين نقطتي المجال الكهربائي عند التحرك حيث تعمل شحنة 1C بمقدار 1 J.

- صيغة تحدد العلاقة بين شدة المجال الكهربائي والجهد وفرق الجهد.

التوتر يساوي عدديًا الجهد أو فرق الجهد بين نقطتين من المجال المأخوذ على طول نفس خط المجال على مسافة 1 متر. تعني العلامة (-) أن متجه الشدة يتم توجيهه دائمًا نحو نقاط المجال ذات الإمكانات المتناقصة.

قانون كولومهو قانون يصف قوى التفاعل بين الشحنات الكهربائية النقطية.

تتناسب وحدة قوة التفاعل لشحنات نقطتين في الفراغ طرديًا مع ناتج وحدات هذه الشحنات وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما.

خلاف ذلك: رسوم نقطتين في مكنسةتعمل على بعضها البعض بقوة تتناسب مع ناتج وحدات هذه الشحنات ، وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينها وتوجيهها على طول الخط المستقيم الذي يربط بين هذه الشحنات. تسمى هذه القوى الكهروستاتيكية (كولوم).

من المهم ملاحظة أنه لكي يكون القانون صحيحًا ، من الضروري:

الشحنات النقطية - أي المسافة بين الأجسام المشحونة أكبر بكثير من حجمها - ومع ذلك ، يمكن إثبات أن قوة التفاعل بين شحنتين موزعتين حجميًا مع توزيعات مكانية متناظرة كرويًا غير متقاطعة تساوي قوة تفاعل شحنتان نقطيتان مكافئتان تقعان في مراكز التناظر الكروي ؛

جمودهم. خلاف ذلك ، تصبح التأثيرات الإضافية سارية المفعول: مجال مغناطيسيالشحنة المتحركة والإضافية المقابلة قوة لورنتزالعمل على شحنة متحركة أخرى ؛

التفاعل في مكنسة.

ومع ذلك ، مع بعض التعديلات ، فإن القانون صالح أيضًا لتفاعلات الرسوم في وسيط ونقل الرسوم.

في شكل ناقل ، في صياغة S.Coulomb ، يتم كتابة القانون على النحو التالي:

أين هي القوة التي تعمل بها الشحنة 1 على الشحنة 2 ؛ - حجم التهم ؛ - متجه نصف القطر (متجه موجه من الشحنة 1 إلى الشحنة 2 ، ومتساوٍ ، في المعامل ، إلى المسافة بين الشحنات -) ؛ - معامل التناسب. وهكذا ، يشير القانون إلى أن الرسوم التي تحمل الاسم نفسه تتنافر (والرسوم المعاكسة تجتذب).

في SGSE وحدةيتم اختيار الشحنة بطريقة يتم فيها اختيار المعامل كيساوي واحد.

في النظام الدولي للوحدات (SI)إحدى الوحدات الأساسية هي الوحدة قوة التيار الكهربائي أمبير، ووحدة الشحن هي قلادةهو مشتقها. يتم تعريف الأمبير بهذه الطريقة ك= ص 2 10 −7 gn/ م = 8.9875517873681764 10 9 حم 2 / Cl 2 (أو Ф −1 م). في معامل SI كمكتوب على النحو التالي:

حيث ≈ 8.854187817 10 −12 F / م - ثابت كهربائي.

في عام 1785 ، وضع الفيزيائي الفرنسي تشارلز أوغست كولوم تجريبياً القانون الأساسي للكهرباء الساكنة - قانون التفاعل بين جسمين أو جسيمات مشحونة بلا حراك.

قانون تفاعل الشحنات الكهربائية الساكنة - قانون كولوم - هو القانون الفيزيائي الرئيسي (الأساسي). لا يتبع أي قوانين أخرى للطبيعة.

إذا قمنا بتعيين وحدات الشحن على أنها | q 1 | و | q 2 | ، يمكن كتابة قانون كولوم بالشكل التالي:

حيث k هو معامل التناسب ، الذي تعتمد قيمته على اختيار وحدات الشحن الكهربائي. في نظام SI N m 2 / C 2 ، حيث ε 0 ثابت كهربائي يساوي 8.85 10-12 C 2 / N m 2

صياغة القانون:

إن قوة التفاعل بين جسمين مشحونين بلا حراك في الفراغ تتناسب طرديًا مع ناتج وحدات الشحن وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

قانون كولوم في هذه الصيغة صالح فقط للأجسام المشحونة بالنقطة ، لأن مفهوم المسافة بين الشحنات له معنى معين فقط بالنسبة لهم. لا توجد أجسام مشحونة ذات مغزى في الطبيعة. ولكن إذا كانت المسافة بين الأجسام أكبر بعدة مرات من حجمها ، فلن يؤثر شكل أو حجم الأجسام المشحونة ، كما تظهر التجربة ، بشكل كبير على التفاعل بينهما. في هذه الحالة ، يمكن اعتبار الجثث كأجسام نقطية.

من السهل العثور على كرتين مشحونتين معلقتين على أوتار إما تجاذب بعضهما البعض أو تتنافران. ويترتب على ذلك أن قوى التفاعل بين جسمين مشحونين بلا حراك يتم توجيههما على طول الخط المستقيم الذي يربط بين هذه الأجسام.

تسمى هذه القوى المركزية. إذا أشرنا إلى القوة المؤثرة على الشحنة الأولى من الشحنة الثانية ، ومن خلال القوة المؤثرة على الشحنة الثانية من الشحنة الأولى (الشكل 1) ، إذن وفقًا لقانون نيوتن الثالث. قم بالإشارة إلى متجه نصف القطر المرسوم من الشحنة الثانية إلى الأولى (الشكل 2) ، ثم

إذا كانت علامات الشحنات q 1 و q 2 متطابقة ، فإن اتجاه القوة يتزامن مع اتجاه المتجه ؛ خلاف ذلك ، يتم توجيه النواقل في اتجاهين متعاكسين.

من خلال معرفة قانون تفاعل الأجسام المشحونة بالنقطة ، من الممكن حساب قوة التفاعل لأي أجسام مشحونة. للقيام بذلك ، يجب تقسيم الجسم عقليًا إلى عناصر صغيرة بحيث يمكن اعتبار كل منها نقطة. من خلال إضافة قوى التفاعل بين كل هذه العناصر مع بعضها البعض هندسيًا ، من الممكن حساب القوة الناتجة عن التفاعل.

يعد اكتشاف قانون كولوم هو الخطوة الملموسة الأولى في دراسة خصائص الشحنة الكهربائية. يعني وجود شحنة كهربائية في الأجسام أو الجسيمات الأولية أنها تتفاعل مع بعضها البعض وفقًا لقانون كولوم. لم يتم العثور على أي انحرافات عن التطبيق الصارم لقانون كولوم في الوقت الحاضر.

تجربة كولوم

كانت الحاجة إلى تجارب كولوم سببها حقيقة أنه في منتصف القرن الثامن عشر. جمعت الكثير من البيانات النوعية عن الظواهر الكهربائية. كانت هناك حاجة لمنحهم تفسيرًا كميًا. نظرًا لأن قوى التفاعل الكهربائي كانت صغيرة نسبيًا ، فقد نشأت مشكلة خطيرة في إنشاء طريقة تجعل من الممكن إجراء القياسات والحصول على المواد الكمية اللازمة.

اقترح المهندس والعالم الفرنسي تشارلز كولومب طريقة لقياس القوى الصغيرة ، والتي استندت إلى الحقيقة التجريبية التالية ، التي اكتشفها العالم نفسه: القوة الناشئة عن التشوه المرن لسلك معدني تتناسب طرديًا مع زاوية الالتواء ، القوة الرابعة لقطر السلك وتتناسب عكسيا مع طوله:

حيث d هو القطر ، l طول السلك ، φ هي زاوية الالتواء. في التعبير الرياضي أعلاه ، تم العثور على معامل التناسب k تجريبيًا ويعتمد على طبيعة المادة التي صنع منها السلك.

تم استخدام هذا النمط في ما يسمى بموازين الالتواء. جعلت المقاييس التي تم إنشاؤها من الممكن قياس قوى لا تذكر بترتيب 5 10-8 نيوتن.

يتكون ميزان الالتواء (الشكل 3 ، أ) من شعاع زجاجي خفيف 9 بطول 10.83 سم ، معلق على سلك فضي 5 طوله حوالي 75 سم وقطره 0.22 سم.كانت كرة بلسان مُذهبة 8 موجودة في أحد طرفي العارضة و- ثقل الموازنة 6 - دائرة ورقية مغموسة في زيت التربنتين. تم ربط الطرف العلوي من السلك برأس الجهاز 1. كان هناك أيضًا مؤشر 2 ، حيث تم قياس زاوية التواء الخيط على مقياس دائري 3. تم تدريج المقياس. تم وضع هذا النظام بأكمله في أسطوانات زجاجية 4 و 11. يحتوي الغطاء العلوي للأسطوانة السفلية على ثقب تم إدخال قضيب زجاجي فيه كرة 7 في نهايته. في التجارب ، تم استخدام كرات بأقطار تتراوح من 0.45 إلى 0.68 سم.

قبل بدء التجربة ، تم ضبط مؤشر الرأس على الصفر. ثم تم شحن الكرة 7 من الكرة المكهربة مسبقًا 12. عندما لامست الكرة 7 الكرة المتحركة 8 ، تمت إعادة توزيع الشحنة. ومع ذلك ، نظرًا لحقيقة أن أقطار الكرات كانت متماثلة ، فإن الشحنات على الكرتين 7 و 8 كانت أيضًا متشابهة.

بسبب التنافر الكهروستاتيكي للكرات (الشكل 3 ، ب) ، الروك 9 تحولت إلى زاوية ما γ (على مقياس 10 ). مع الرأس 1 عاد هذا الروك إلى موقعه الأصلي. على نطاق واسع 3 المؤشر 2 يسمح بتحديد الزاوية α التواء الخيط. مجموع زاوية الالتواء φ = γ + α . كانت قوة تفاعل الكرات متناسبة φ ، أي ، يمكن استخدام زاوية الالتواء للحكم على حجم هذه القوة.

على مسافة ثابتة بين الكرات (تم تثبيتها على مقياس 10 درجات) ، تمت دراسة اعتماد قوة التفاعل الكهربائي للأجسام النقطية على حجم الشحنة عليها.

لتحديد اعتماد القوة على شحنة الكرات ، وجد كولوم طريقة بسيطة ومبتكرة لتغيير شحنة إحدى الكرات. للقيام بذلك ، قام بتوصيل كرة مشحونة (كرات 7 أو 8 ) بنفس الحجم بدون شحن (كرة 12 على المقبض العازل). في هذه الحالة ، تم توزيع الشحنة بالتساوي بين الكرات ، مما أدى إلى تقليل الشحنة التي تم التحقيق فيها بمقدار 2 ، 4 ، إلخ. تم تحديد القيمة الجديدة للقوة بالقيمة الجديدة للشحنة بشكل تجريبي مرة أخرى. في نفس الوقت ، اتضح أن القوة تتناسب طرديًا مع حاصل ضرب شحنات الكرات:

تم اكتشاف اعتماد قوة التفاعل الكهربائي على المسافة على النحو التالي. بعد توصيل الشحنة إلى الكرات (كان لديهم نفس الشحنة) ، انحرف الروك بزاوية معينة γ . ثم يدير الرأس 1 يتم تقليل هذه الزاوية إلى γ واحد . الزاوية الكلية للالتواء φ 1 = α 1 + (γ - γ 1)(α 1- زاوية دوران الرأس). عندما تنخفض المسافة الزاوية للكرات إلى γ 2 زاوية ملتوية كلية φ 2 = α 2 + (γ - γ 2). لوحظ أنه إذا γ 1 = 2γ 2 ، ثم φ 2 = 4φ 1 ، أي عندما انخفضت المسافة بمعامل 2 ، زادت قوة التفاعل بمعامل 4. زادت لحظة القوة بنفس المقدار ، لأنه أثناء تشوه الالتواء ، تتناسب لحظة القوة بشكل مباشر مع زاوية الالتواء ، ومن ثم القوة (ظل ذراع القوة دون تغيير). من هذا يتبع الاستنتاج: تتناسب القوة بين كرتين مشحنتين عكسيًا مع مربع المسافة بينهما:

التاريخ: 2015/04/29

موسوعي يوتيوب

1 / 5

✪ الدرس 213. الشحنات الكهربائية وتفاعلها. قانون كولوم

✪ 8 خلايا - 106. قانون كولوم

قانون كولوم

✪ فيزياء قانون حل مشكلة كولومب

✪ الدرس 215

ترجمات

الصياغة

يتم توجيه قوة التفاعل بين شحنتين نقطتين في الفراغ على طول الخط المستقيم الذي يربط بين هذه الشحنات ، وتتناسب مع مقاديرها وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما. إنها قوة جاذبة إذا كانت علامات الشحنات مختلفة ، وقوة منفرة إذا كانت هذه العلامات هي نفسها.

من المهم ملاحظة أنه لكي يكون القانون صحيحًا ، من الضروري:

1. الشحنات النقطية ، أي المسافة بين الأجسام المشحونة يجب أن تكون أكبر بكثير من حجمها. ومع ذلك ، يمكن إثبات أن قوة التفاعل بين شحنتين موزعتين حجميًا مع توزيعات مكانية متناظرة كرويًا غير متقاطعة تساوي قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين مكافئتين تقعان في مراكز التناظر الكروي ؛
2. جمودهم. بخلاف ذلك ، تدخل تأثيرات إضافية حيز التنفيذ: المجال المغناطيسي للشحنة المتحركة وقوة لورنتز الإضافية المقابلة التي تعمل على شحنة متحركة أخرى ؛
3. ترتيب الشحنات في الفراغ.

ومع ذلك ، مع بعض التعديلات ، فإن القانون صالح أيضًا لتفاعلات الرسوم في وسيط ونقل الرسوم.

في شكل ناقل ، في صياغة S.Coulomb ، يتم كتابة القانون على النحو التالي:

أين و → 12 (displaystyle (vec (F)) _ (12))هي القوة التي تعمل بها الشحنة 1 على الشحنة 2 ؛ q 1، q 2 (displaystyle q_ (1) q_ (2))- حجم التهم ؛ r → 12 (\ displaystyle (\ vec (r)) _ (12))- متجه نصف القطر (متجه موجه من الشحنة 1 إلى الشحنة 2 ، ومتساوٍ بالقيمة المطلقة للمسافة بين الشحنات - r 12 (displaystyle r_ (12))); ك (displaystyle k)- معامل التناسب.

معامل في الرياضيات او درجة ك

قانون كولوم في ميكانيكا الكم

قانون كولوم من وجهة نظر الديناميكا الكهربائية الكمية

قصة

لأول مرة للتحقيق تجريبيًا ، اقترح G.V.Richmann قانون تفاعل الأجسام المشحونة كهربائيًا في 1752-1753. وكان ينوي أن يستخدم لهذا الغرض "المؤشر" الكهربي الذي صممه. تم منع تنفيذ هذه الخطة بسبب الموت المأساوي لريتشمان.

قبل ما يقرب من 11 عامًا من كولوم ، في عام 1771 ، تم اكتشاف قانون تفاعل الشحنات بشكل تجريبي بواسطة G. تم تسليم مخطوطات كافنديش إلى دي سي ماكسويل فقط في عام 1874 من قبل أحد أحفاد كافنديش في الافتتاح الكبير لمختبر كافنديش وتم نشرها في عام 1879.

كان كولوم نفسه منخرطًا في دراسة التواء الخيوط واخترع توازن الالتواء. اكتشف قانونه ، مستخدماً إياهم لقياس قوى تفاعل الكرات المشحونة.

قانون كولوم ومبدأ التراكب ومعادلات ماكسويل

درجة دقة قانون كولوم

قانون كولوم هو حقيقة مثبتة تجريبيا. تم تأكيد صحتها مرارًا وتكرارًا من خلال تجارب أكثر دقة. أحد اتجاهات هذه التجارب هو التحقق مما إذا كان الأس يختلف صفي قانون 2. لإيجاد هذا الاختلاف ، يتم استخدام حقيقة أنه إذا كانت الدرجة تساوي تمامًا اثنين ، فلا يوجد مجال داخل التجويف في الموصل ، مهما كان شكل التجويف أو الموصل.

تم إجراء هذه التجارب لأول مرة بواسطة Cavendish وكررها Maxwell في شكل محسّن ، للحصول على أقصى فرق للأس في قوة اثنين 1 21600 (\ displaystyle (\ frac (1) (21600)))

أظهرت التجارب التي أجريت في عام 1971 في الولايات المتحدة بواسطة E.R Williams و D.E Voller و G.A Hill أن الأس في قانون كولوم هو 2 في الداخل (3، 1 ± 2، 7) × 10 - 16 (\ displaystyle (3،1 \ pm 2،7) \ times 10 ^ (- 16)) .

لاختبار دقة قانون كولوم على المسافات داخل الذرة ، استخدم دبليو يو لامب ورذرفورد في عام 1947 قياسات الترتيب النسبي لمستويات طاقة الهيدروجين. وجد أنه حتى على مسافات ذرية 10 8 سم ، فإن الأس في قانون كولوم يختلف عن 2 بما لا يزيد عن 10 9.

معامل في الرياضيات او درجة ك (displaystyle k)في قانون كولوم يبقى ثابتًا حتى 15-10 −6.

تصحيحات لقانون كولوم في الديناميكا الكهربائية الكمية

على مسافات قصيرة (بترتيب موجة إلكترون طويلة كومبتون ، λ e = ℏ م. ج (displaystyle lambda _ (e) = (tfrac (hbar) (m_ (e) c)))≈3.86⋅10 13 م ، أين م. (displaystyle m_ (e))هي كتلة الإلكترون ℏ (displaystyle hbar)- ثابت بلانك ، ج (displaystyle c)- سرعة الضوء) تصبح التأثيرات غير الخطية للديناميكا الكهربية الكمومية مهمة: يتم فرض التبادل الافتراضي للفوتون عن طريق توليد أزواج من الإلكترون-البوزيترون الافتراضي (بالإضافة إلى ميوون-أنتيمون وتون-أنتيتون) ، ويقل تأثير الفحص (انظر إعادة التطبيع). يؤدي كلا التأثيرين إلى ظهور شروط ترتيب متناقصة بشكل كبير هـ - 2 ص / λ هـ (displaystyle e ^ (- 2r / lambda _ (e)))في التعبير عن الطاقة الكامنة لتفاعل الشحنات ، ونتيجة لذلك ، زيادة في قوة التفاعل مقارنة بتلك التي يحسبها قانون كولوم.

أين λ e (displaystyle lambda _ (e))- إلكترون الطول الموجي كومبتون ، α = e 2 ℏ ج (displaystyle alpha = (tfrac (e ^ (2)) (hbar c)))- بنية دقيقة ثابتة و r ≫ λ e (displaystyle r gg lambda _ (e)).

على مسافات النظام λ W = ℏ m w ج (displaystyle lambda _ (W) = (tfrac (hbar) (m_ (w) c)))~ 10 −18 م ، أين م ث (displaystyle m_ (w))هي كتلة W-boson ، وتأثيرات كهروضعيفة تلعب دورًا.

في المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية القوية ، والتي تشكل جزءًا كبيرًا من فراغ مجال الانهيار (بترتيب م. ص 2. ه λ. (displaystyle (tfrac (m_ (e) c ^ (2)) (e lambda _ (e))))~ 10 18 فولت / م أو م. ج. ه (displaystyle (tfrac (m_ (e) c) (e lambda _ (e))))~ 10 9 T ، لوحظت مثل هذه الحقول ، على سبيل المثال ، بالقرب من بعض أنواع النجوم النيوترونية ، أي النجوم المغناطيسية) تم انتهاك قانون كولوم أيضًا بسبب تشتت Delbrück لفوتونات التبادل على فوتونات المجال الخارجي والتأثيرات غير الخطية الأخرى الأكثر تعقيدًا. تقلل هذه الظاهرة من قوة كولوم ليس فقط في المقاييس الجزئية ولكن أيضًا في المقاييس الكبيرة ، على وجه الخصوص ، في مجال مغناطيسي قوي ، لا تتناسب إمكانات كولوم بشكل عكسي مع المسافة ، ولكن بشكل أسي.

قانون كولوم وفراغ الاستقطاب

قانون كولوم ونواة فائقة الثقل

معنى قانون كولوم في تاريخ العلم

قانون كولوم هو أول قانون أساسي مفتوح تم صياغته رياضيًا للظواهر الكهرومغناطيسية. مع اكتشاف قانون كولوم ، بدأ علم الكهرومغناطيسية الحديث.

أنظر أيضا

الروابط

• قانون كولوم (درس بالفيديو ، برنامج الصف العاشر)

ملحوظات

1. سيفوخين د.مقرر عام للفيزياء. - م: فيزاتليت ؛ دار نشر MIPT ، 2004. - المجلد الثالث. كهرباء. - س 17. - 656 ص. - ردمك 5-9221-0227-3.
2. Landau LD ، Lifshits EM الفيزياء النظرية: كتاب مدرسي. البدل: للجامعات. الخامس 10 ر. 2 نظرية المجال. - الطبعة الثامنة ، ستيريو. - م: FIZMATLIT، 2001. - 536 ص. -

في الكهرباء الساكنة ، قانون كولوم هو أحد القوانين الأساسية. يتم استخدامه في الفيزياء لتحديد قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين أو المسافة بينهما. إنه قانون أساسي للطبيعة لا يعتمد على أي قوانين أخرى. ثم لا يؤثر شكل الجسم الحقيقي على حجم القوى. في هذه المقالة ، سنشرح بعبارات بسيطة قانون كولوم وتطبيقه عمليًا.

تاريخ الاكتشاف

شو أثبت كولوم في عام 1785 ولأول مرة تجريبيًا التفاعلات التي وصفها القانون. في تجاربه ، استخدم ميزان الالتواء الخاص. ومع ذلك ، في عام 1773 ، أثبت كافنديش ، باستخدام مثال مكثف كروي ، أنه لا يوجد مجال كهربائي داخل الكرة. يشير هذا إلى أن القوى الكهروستاتيكية تتغير اعتمادًا على المسافة بين الأجسام. لنكون أكثر دقة - مربع المسافة. ثم لم ينشر بحثه. تاريخيًا ، سُمي هذا الاكتشاف باسم كولوم ، والكمية التي تُقاس بها الشحنة تحمل اسمًا مشابهًا.

الصياغة

تعريف قانون كولوم هو: في الفراغيتناسب تفاعل F بين جسمين مشحونين بشكل مباشر مع ناتج وحداتهما ويتناسب عكسياً مع مربع المسافة بينهما.

يبدو قصيرًا ، لكنه قد لا يكون واضحًا للجميع. بكلمات بسيطة: كلما زادت شحنة الأجسام وكلما اقتربوا من بعضهم البعض ، زادت القوة.

والعكس صحيح: إذا قمت بزيادة المسافة بين الشحنات - ستقل القوة.

تبدو صيغة قاعدة كولوم كما يلي:

تعيين الحروف: q - قيمة الشحن ، r - المسافة بينهما ، k - المعامل ، يعتمد على نظام الوحدات المختار.

يمكن أن تكون قيمة الشحنة q موجبة شرطيًا أو سالبة شرطيًا. هذا التقسيم مشروط للغاية. عندما تتلامس الجثث ، يمكن أن ينتقل من واحد إلى آخر. ويترتب على ذلك أن نفس الجسم يمكن أن يكون له شحنة مختلفة من حيث الحجم والإشارة. الشحنة النقطية هي شحنة كهذه أو جسم تكون أبعاده أصغر بكثير من مسافة التفاعل المحتمل.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن البيئة التي توجد فيها الرسوم تؤثر على التفاعل F. نظرًا لأنه يكاد يكون متساويًا في الهواء وفي الفراغ ، فإن اكتشاف كولوم قابل للتطبيق فقط على هذه الوسائط ، وهذا أحد الشروط لتطبيق هذا النوع من الصيغة. كما ذكرنا سابقًا ، في نظام SI ، وحدة الشحن هي Coulomb ، والمختصرة كـ Cl. يميز كمية الكهرباء لكل وحدة زمنية. إنه مشتق من وحدات SI الأساسية.

1 ج = 1 أ * 1 ث

وتجدر الإشارة إلى أن أبعاد 1 C زائدة عن الحاجة. نظرًا لحقيقة أن الناقلات تتنافر ، فمن الصعب الاحتفاظ بها في جسم صغير ، على الرغم من أن تيار 1A نفسه صغير إذا كان يتدفق في موصل. على سبيل المثال ، في نفس المصباح المتوهج 100 واط ، يتدفق تيار 0.5 أمبير ، وفي سخان كهربائي وأكثر من 10 أ. هذه القوة (1 درجة مئوية) تساوي تقريبًا القوة المؤثرة على جسم كتلته 1 ر من جانب الكرة الأرضية.

ربما لاحظت أن الصيغة هي نفسها تقريبًا كما في تفاعل الجاذبية ، فقط إذا ظهرت الكتل في ميكانيكا نيوتن ، فعندئذ تظهر الشحنات في الكهرباء الساكنة.

صيغة كولوم لوسط عازل

يتم تحديد المعامل ، مع مراعاة قيم نظام SI ، في N 2 * m 2 / Cl 2. يساوي:

في العديد من الكتب المدرسية ، يمكن العثور على هذا المعامل في شكل كسر:

هنا E 0 \ u003d 8.85 * 10-12 C2 / N * m2 ثابت كهربائي. بالنسبة للعزل الكهربائي ، يضاف E - ثابت العزل الكهربائي للوسيط ، ثم يمكن استخدام قانون كولوم لحساب قوى التفاعل بين الشحنات للفراغ والوسط.

مع الأخذ بعين الاعتبار تأثير العازل الكهربائي ، يكون له الشكل:

من هنا نرى أن إدخال عازل بين الأجسام يقلل من القوة F.

كيف يتم توجيه القوات؟

تتفاعل الشحنات مع بعضها البعض اعتمادًا على قطبيتها - نفس الشحنات تتنافر ، والعكس (المعاكس) يجذب.

بالمناسبة ، هذا هو الاختلاف الرئيسي عن قانون مماثل لتفاعل الجاذبية ، حيث تتجاذب الأجسام دائمًا. تسمى القوى الموجهة على طول الخط المرسوم بينهما متجه نصف القطر. في الفيزياء ، يشار إليه على أنه r 12 وكمتجه نصف قطر من الشحنة الأولى إلى الشحنة الثانية والعكس صحيح. يتم توجيه القوى من مركز الشحنة إلى الشحنة المعاكسة على طول هذا الخط إذا كانت الشحنات معاكسة ، وفي الاتجاه المعاكس إذا كانت تحمل الاسم نفسه (اثنان موجبان أو سلبيان). في شكل متجه:

يُشار إلى القوة المطبقة على الشحنة الأولى من الثانية بالرمز F 12. ثم ، في الشكل المتجه ، يبدو قانون كولوم كما يلي:

لتحديد القوة المطبقة على الشحنة الثانية ، يتم استخدام التعيينات F 21 و R 21.

إذا كان للجسم شكل معقد وكان كبيرًا بما يكفي بحيث لا يمكن اعتباره نقطة على مسافة معينة ، فسيتم تقسيمه إلى أقسام صغيرة ويعتبر كل قسم بمثابة شحنة نقطية. بعد الإضافة الهندسية لجميع المتجهات الناتجة ، يتم الحصول على القوة الناتجة. تتفاعل الذرات والجزيئات مع بعضها البعض وفقًا لنفس القانون.

التطبيق في الممارسة

تعتبر أعمال كولوم مهمة جدًا في علم الكهرباء الساكنة ؛ ومن الناحية العملية ، يتم استخدامها في عدد من الاختراعات والأجهزة. وخير مثال على ذلك هو مانعة الصواعق. بمساعدتها ، يقومون بحماية المباني والمنشآت الكهربائية من العواصف الرعدية ، وبالتالي منع الحريق وتعطل المعدات. عندما تمطر مع عاصفة رعدية ، تظهر شحنة مستحثة كبيرة الحجم على الأرض ، فإنها تنجذب نحو السحابة. اتضح أن مجالًا كهربائيًا كبيرًا يظهر على سطح الأرض. بالقرب من طرف مانع الصواعق ، لها قيمة كبيرة ، ونتيجة لذلك يتم اشتعال تفريغ الهالة من الحافة (من الأرض ، من خلال مانعة الصواعق إلى السحابة). تنجذب الشحنة من الأرض إلى الشحنة المعاكسة للسحابة ، وفقًا لقانون كولوم. يتأين الهواء ، وتقل شدة المجال الكهربائي بالقرب من نهاية مانع الصواعق. وبالتالي ، لا تتراكم الرسوم على المبنى ، وفي هذه الحالة يكون احتمال حدوث صاعقة ضئيلًا. في حالة حدوث ضربة للمبنى ، من خلال مانع الصواعق ، ستذهب كل الطاقة إلى الأرض.

في البحث العلمي الجاد ، يتم استخدام أعظم بناء في القرن الحادي والعشرين - مسرع الجسيمات. في ذلك ، يقوم المجال الكهربائي بعمل زيادة طاقة الجسيم. بالنظر إلى هذه العمليات من وجهة نظر التأثير على تهمة نقطة من قبل مجموعة من الاتهامات ، فإن كل علاقات القانون تصبح صحيحة.

مفيد