tercero Fundamentos de la electrodinámica

Tema 1.1 CARGAS ELÉCTRICAS.

Sección 1 FUNDAMENTOS DE ELECTRODINÁMICA

1. Electrificación de cuerpos. El concepto de la magnitud de la carga.

La ley de conservación de la carga.

2. Fuerzas de interacción entre cargas.

Ley de Coulomb.

3. Permitividad dieléctrica del medio.

4. Sistema internacional de unidades en electricidad.

1. Electrificación de tel. El concepto de la magnitud de la carga.

La ley de conservación de la carga.

Si dos superficies se ponen en estrecho contacto, entonces disponible transición de electrones de una superficie a otra, mientras aparecen cargas eléctricas en estas superficies.

Este fenómeno se llama ELECTRICIDAD. Durante la fricción, el área de contacto cercano de las superficies aumenta y la magnitud de la carga en la superficie también aumenta; este fenómeno se denomina ELECTRICACIÓN POR FRICCIÓN.

En el proceso de electrificación, se produce una redistribución de cargas, como resultado de lo cual ambas superficies se cargan con cargas de signo opuesto de igual magnitud.

Porque todos los electrones tienen las mismas cargas (negativas) e \u003d 1.6 10 C, luego, para determinar la carga en la superficie (q), necesita saber cuántos electrones hay en exceso o deficiencia en la superficie (N) y el carga de un electrón.

En el proceso de electrificación, las nuevas cargas no aparecen ni desaparecen, solo ocurren. redistribución entre cuerpos o partes de cuerpos, por lo tanto la carga total de un sistema cerrado de cuerpos permanece constante, este es el significado de la LEY DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA.

2. Fuerzas de interacción entre cargas.

Ley de Coulomb.

Las cargas eléctricas interactúan entre sí, estando a distancia, mientras que las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen.

Descubrí por primera vez experimentado del cual depende la fuerza de interacción entre las cargas, el científico francés Coulomb ya dedujo una ley llamada ley de Coulomb. La ley fundamental es decir basado en la experiencia. Al derivar esta ley, Coulomb usó una balanza de torsión.

3) k - coeficiente que expresa la dependencia del medio ambiente.

Fórmula de la ley de Coulomb.

La fuerza de interacción entre dos cargas puntuales fijas es directamente proporcional al producto de las magnitudes de estas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias entre ellas, y depende del entorno en el que se encuentran estas cargas, y está dirigida a lo largo de la recta que conecta los centros de estas cargas.

3. Permitividad dieléctrica del medio.

E es la constante dieléctrica del medio, depende del medio que rodea a las cargas.

E \u003d 8.85 * 10 - constante física, permitividad de vacío.

E - permitividad relativa del medio, muestra cuántas veces la fuerza de interacción entre cargas puntuales en el vacío es mayor que en un medio dado. En el vacío, la interacción más fuerte entre cargas.

4. Sistema internacional de unidades en electricidad.

La unidad básica de electricidad en el sistema SI es corriente en 1A, todas las demás unidades de medida se derivan de 1Amperio.

1Cl: la cantidad de carga eléctrica transportada por partículas cargadas a través de la sección transversal del conductor a una intensidad de corriente de 1A durante 1 s.

q=N;

Tema 1.2 CAMPO ELÉCTRICO

1. Campo eléctrico: como un tipo especial de materia.

6. Relación entre diferencia de potencial e intensidad de campo eléctrico.

1. Campo eléctrico - como un tipo especial de materia.

En la naturaleza, como un tipo de materia, existe un campo electromagnético. En diferentes casos, el campo electromagnético se manifiesta de diferentes formas, por ejemplo, cerca de cargas estacionarias, solo se manifiesta un campo eléctrico, que se denomina electrostático. Cerca de cargas móviles, se pueden detectar campos eléctricos y magnéticos, que juntos representan CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS.

Considere las propiedades de los campos electrostáticos:

1) Las cargas estacionarias crean un campo electrostático, tales campos pueden detectarse

con la ayuda de cargas de prueba (una pequeña carga positiva), porque sólo sobre ellos el campo eléctrico ejerce una acción de fuerza, que obedece a la ley de Coulomb.

2. Fuerza de campo eléctrico.

El campo eléctrico como un tipo de materia tiene energía, masa, se propaga en el espacio con una velocidad finita y no tiene límites teóricos.

En la práctica, se considera que no hay campo si no tiene un efecto perceptible en las cargas de prueba.

Dado que el campo puede detectarse mediante una acción de fuerza sobre las cargas de prueba, la característica principal del campo eléctrico es tensión.

Si se introducen cargas de prueba de diferentes magnitudes en el mismo punto del campo eléctrico, entonces existe una relación directamente proporcional entre la fuerza que actúa y la magnitud de la carga de prueba.

El coeficiente de proporcionalidad entre la fuerza actuante y la magnitud de la carga es la intensidad E.

E \u003d - fórmula para calcular la intensidad del campo eléctrico, si q \u003d 1 C, entonces | mi | = | F |

La tensión es una potencia característica de los puntos del campo eléctrico, porque es numéricamente igual a la fuerza que actúa sobre una carga de 1 C en un punto dado del campo eléctrico.

La tensión es una cantidad vectorial, el vector intensidad coincide en dirección con el vector fuerza que actúa sobre una carga positiva en un punto dado del campo eléctrico.

3. Líneas de intensidad de campo eléctrico. Campo eléctrico homogéneo.

Para visualizar el campo eléctrico, es decir, gráficamente, use líneas de fuerza de campo eléctrico. Estas son líneas, también llamadas líneas de fuerza, cuyas tangentes coinciden en dirección con los vectores de intensidad en los puntos del campo eléctrico a través de los cuales pasan estas líneas,

Las líneas de tensión tienen las siguientes propiedades:

1) Empezar en la pos. los cargos terminan - en negativo, o comienzan en positivo. cargas y van al infinito, o vienen del infinito y terminan con cargas positivas..

2) Estas líneas son continuas y no se cruzan en ninguna parte.

3) La densidad de líneas (número de líneas por unidad de superficie) y la intensidad del campo eléctrico están en relación directa y proporcional.

En un campo eléctrico uniforme, la intensidad en todos los puntos del campo es la misma; gráficamente, dichos campos se representan mediante líneas paralelas a la misma distancia entre sí. Tal campo se puede obtener entre dos placas cargadas planas paralelas a una pequeña distancia entre sí.

4. Trabajo sobre el movimiento de carga en un campo eléctrico.

Coloquemos una carga eléctrica en un campo eléctrico uniforme. Las fuerzas actuarán sobre la carga desde el lado del campo. Si se mueve la carga, se puede realizar trabajo.

Trabajo perfecto en las parcelas:

A \u003d q E d - fórmula para calcular el trabajo de mover una carga en un campo eléctrico.

Conclusión: El trabajo de mover una carga en un campo eléctrico no depende de la forma de la trayectoria, sino de la cantidad de carga que se mueve (q), la intensidad del campo (E), así como de la elección del puntos de inicio y final del movimiento (d).

Si una carga en un campo eléctrico se mueve a lo largo de un circuito cerrado, el trabajo realizado será igual a 0. Tales campos se llaman campos potenciales. Los cuerpos en tales campos tienen energía potencial, es decir, una carga eléctrica en cualquier punto del campo eléctrico tiene energía y el trabajo realizado en el campo eléctrico es igual a la diferencia de las energías potenciales de la carga en los puntos inicial y final del movimiento.

5. Potencial. Diferencia de potencial. Voltaje.

Si se colocan cargas de diferentes magnitudes en un punto dado del campo eléctrico, entonces la energía potencial de la carga y su magnitud están en proporción directa.

-(phi) potencial de punto de campo eléctrico

aceptar

El potencial es una energía característica de los puntos del campo eléctrico, porque es numéricamente igual a la energía potencial de una carga de 1 C en un punto dado del campo eléctrico.

A distancias iguales de una carga puntual, los potenciales de los puntos de campo son los mismos. Estos puntos forman una superficie de igual potencial, y tales superficies se denominan superficies equipotenciales. En un plano son círculos, en el espacio son esferas.

Voltaje

Fórmulas para calcular el trabajo de mover una carga en un campo eléctrico.

1V es la tensión entre los puntos del campo eléctrico en movimiento en los que una carga de 1C realiza un trabajo de 1J.

- una fórmula que establece la relación entre la intensidad del campo eléctrico, la tensión y la diferencia de potencial.

La tensión es numéricamente igual al voltaje o diferencia de potencial entre dos puntos del campo tomados a lo largo de la misma línea de campo a una distancia de 1 m. El signo (-) significa que el vector de intensidad está siempre dirigido hacia los puntos de campo con potencial decreciente.

ley de Coulomb es una ley que describe las fuerzas de interacción entre cargas eléctricas puntuales.

El módulo de la fuerza de interacción de dos cargas puntuales en el vacío es directamente proporcional al producto de los módulos de estas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

De lo contrario: dos cargas puntuales en Aspirar actúan entre sí con fuerzas que son proporcionales al producto de los módulos de estas cargas, inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellas y dirigidas a lo largo de la línea recta que une estas cargas. Estas fuerzas se denominan electrostáticas (Coulomb).

Es importante señalar que para que la ley sea verdadera es necesario:

cargas puntuales, es decir, la distancia entre cuerpos cargados es mucho mayor que su tamaño, sin embargo, se puede demostrar que la fuerza de interacción de dos cargas distribuidas volumétricamente con distribuciones espaciales esféricamente simétricas que no se cortan es igual a la fuerza de interacción de dos cargas puntuales equivalentes ubicadas en los centros de simetría esférica;

su inmovilidad. De lo contrario, los efectos adicionales surten efecto: un campo magnético carga en movimiento y la correspondiente adicional Fuerza de Lorentz actuando sobre otra carga en movimiento;

interacción en Aspirar.

Sin embargo, con algunos ajustes, la ley también es válida para interacciones de cargas en un medio y para cargas en movimiento.

En forma vectorial, en la formulación de S. Coulomb, la ley se escribe de la siguiente manera:

donde es la fuerza con la que la carga 1 actúa sobre la carga 2; - la magnitud de las cargas; - radio vector (vector dirigido de la carga 1 a la carga 2, e igual, en módulo, a la distancia entre las cargas - ); - coeficiente de proporcionalidad. Así, la ley indica que las cargas del mismo nombre se repelen (y las cargas opuestas se atraen).

A SGSE unidad carga se elige de tal manera que el coeficiente k es igual a uno.

A Sistema Internacional de Unidades (SI) una de las unidades básicas es la unidad intensidad de la corriente eléctrica amperio y la unidad de carga es colgante es su derivada. El amperio se define de tal manera que k= do 2 10 −7 gn/ m \u003d 8.9875517873681764 10 9 H m 2 / cl 2 (o Ф −1 m). En coeficiente SI k se escribe como:

donde ≈ 8,854187817 10 −12 F/m - constante electrica.

En 1785, el físico francés Charles Auguste Coulomb estableció experimentalmente la ley básica de la electrostática: la ley de la interacción de dos cuerpos o partículas inmóviles con carga puntual.

La ley de interacción de las cargas eléctricas inmóviles, la ley de Coulomb, es la ley física principal (fundamental). No se sigue de ninguna otra ley de la naturaleza.

Si designamos los módulos de carga como |q 1 | y |q 2 |, entonces la ley de Coulomb se puede escribir de la siguiente forma:

donde k es el coeficiente de proporcionalidad, cuyo valor depende de la elección de las unidades de carga eléctrica. En el sistema SI N m 2 / C 2, donde ε 0 es una constante eléctrica igual a 8.85 10 -12 C 2 / N m 2

La redacción de la ley:

La fuerza de interacción de dos cuerpos cargados inmóviles puntuales en el vacío es directamente proporcional al producto de los módulos de carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.

La ley de Coulomb en esta formulación es válida solo para cuerpos cargados puntualmente, ya que solo para ellos el concepto de distancia entre cargas tiene un significado determinado. En la naturaleza no existen cuerpos con carga puntual. Pero si la distancia entre los cuerpos es muchas veces mayor que su tamaño, entonces ni la forma ni el tamaño de los cuerpos cargados, como muestra la experiencia, no afectan significativamente la interacción entre ellos. En este caso, los cuerpos pueden ser considerados como puntuales.

Es fácil encontrar que dos bolas cargadas suspendidas en cuerdas se atraen o se repelen. De esto se sigue que las fuerzas de interacción de dos cuerpos cargados puntuales inmóviles se dirigen a lo largo de la línea recta que conecta estos cuerpos.

Tales fuerzas se llaman centrales. Si denotamos la fuerza que actúa sobre la primera carga de la segunda, ya través de la fuerza que actúa sobre la segunda carga de la primera (Fig. 1), entonces, de acuerdo con la tercera ley de Newton, . Denote por el vector de radio dibujado desde la segunda carga a la primera (Fig. 2), luego

Si los signos de las cargas q 1 yq 2 son iguales, entonces la dirección de la fuerza coincide con la dirección del vector; de lo contrario, los vectores y están dirigidos en direcciones opuestas.

Conociendo la ley de interacción de los cuerpos cargados puntuales, es posible calcular la fuerza de interacción de cualquier cuerpo cargado. Para ello, el cuerpo debe dividirse mentalmente en elementos tan pequeños que cada uno de ellos pueda considerarse un punto. Sumando geométricamente las fuerzas de interacción de todos estos elementos entre sí, es posible calcular la fuerza de interacción resultante.

El descubrimiento de la ley de Coulomb es el primer paso concreto en el estudio de las propiedades de la carga eléctrica. La presencia de una carga eléctrica en cuerpos o partículas elementales significa que interactúan entre sí según la ley de Coulomb. Hasta el momento no se han encontrado desviaciones de la aplicación estricta de la ley de Coulomb.

experiencia de culombio

La necesidad de los experimentos de Coulomb fue causada por el hecho de que a mediados del siglo XVIII. acumuló una gran cantidad de datos cualitativos sobre los fenómenos eléctricos. Era necesario darles una interpretación cuantitativa. Dado que las fuerzas de interacción eléctrica eran relativamente pequeñas, se planteó un serio problema al crear un método que permitiera realizar mediciones y obtener el material cuantitativo necesario.

El ingeniero y científico francés Charles Coulomb propuso un método para medir pequeñas fuerzas, que se basó en el siguiente hecho experimental, descubierto por el propio científico: la fuerza que surge de la deformación elástica de un alambre metálico es directamente proporcional al ángulo de torsión, la cuarta potencia del diámetro del alambre e inversamente proporcional a su longitud:

donde d es el diámetro, l es la longitud del cable, φ es el ángulo de torsión. En la expresión matemática anterior, el coeficiente de proporcionalidad k se encontró empíricamente y dependía de la naturaleza del material del que estaba hecho el cable.

Este patrón se utilizó en las llamadas balanzas de torsión. Las escalas creadas permitieron medir fuerzas despreciables del orden de 5 10 -8 N.

La balanza de torsión (Fig. 3, a) consistía en una viga de vidrio ligero de 9 10,83 cm de largo, suspendida de un alambre de plata 5 de unos 75 cm de largo, 0,22 cm de diámetro. Una bola dorada de saúco 8 estaba ubicada en un extremo de la viga , y - contrapeso 6 - un círculo de papel sumergido en trementina. El extremo superior del cable estaba unido a la cabeza del dispositivo 1. También había un puntero 2, con el que se medía el ángulo de torsión del hilo en una escala circular 3. La escala estaba graduada. Todo este sistema estaba alojado en cilindros de vidrio 4 y 11. La tapa superior del cilindro inferior tenía un orificio en el que se insertaba una varilla de vidrio con una bola 7 en el extremo. En los experimentos se utilizaron bolas con diámetros que oscilaban entre 0,45 y 0,68 cm.

Antes del inicio del experimento, el indicador de la cabeza se puso a cero. Luego, la bola 7 se cargó desde la bola 12 preelectrificada. Cuando la bola 7 entró en contacto con la bola móvil 8, la carga se redistribuyó. Sin embargo, debido al hecho de que los diámetros de las bolas eran iguales, las cargas de las bolas 7 y 8 también eran las mismas.

Debido a la repulsión electrostática de las bolas (Fig. 3, b), el balancín 9 girado en algún ángulo γ (en escala 10 ). con cabeza 1 este balancín volvió a su posición original. En escala 3 puntero 2 permitió determinar el ángulo α torsión del hilo. Ángulo de giro total φ = γ + α . La fuerza de la interacción de las bolas era proporcional φ , es decir, el ángulo de torsión se puede usar para juzgar la magnitud de esta fuerza.

A una distancia constante entre las bolas (se fijó en una escala de 10 en grados), se estudió la dependencia de la fuerza de interacción eléctrica de los cuerpos puntuales con la magnitud de la carga sobre ellos.

Para determinar la dependencia de la fuerza de la carga de las bolas, Coulomb encontró una forma simple e ingeniosa de cambiar la carga de una de las bolas. Para ello conectó una bola cargada (bolas 7 o 8 ) con el mismo tamaño sin carga (bola 12 en el mango aislante). En este caso, la carga se distribuyó por igual entre las bolas, lo que redujo la carga investigada en 2, 4, etc. veces. El nuevo valor de la fuerza en el nuevo valor de la carga se determinó de nuevo experimentalmente. Al mismo tiempo, resultó que la fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas de las bolas:

La dependencia de la fuerza de interacción eléctrica con la distancia se descubrió de la siguiente manera. Después de comunicar la carga a las bolas (tenían la misma carga), el balancín se desvió un cierto ángulo. γ . Luego girando la cabeza 1 este ángulo se reduce a γ una . Ángulo total de giro φ 1 = α 1 + (γ - γ 1)(α 1 - ángulo de rotación de la cabeza). Cuando la distancia angular de las bolas disminuye a γ 2 ángulo de giro total φ 2 = α 2 + (γ - γ 2). Se notó que si γ 1 = 2γ 2, ENTONCES φ 2 = 4φ 1, es decir, cuando la distancia disminuyó por un factor de 2, la fuerza de interacción aumentó por un factor de 4. El momento de la fuerza aumentó en la misma cantidad, ya que durante la deformación por torsión, el momento de la fuerza es directamente proporcional al ángulo de torsión y, por lo tanto, la fuerza (el brazo de la fuerza permaneció sin cambios). De aquí se sigue la conclusión: La fuerza entre dos esferas cargadas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa:

Fecha: 29/04/2015

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✪ Ley de Coulomb

✪ física LEY DE COULOMB resolución de problemas

✪ Lección 215

subtítulos

Fraseología

La fuerza de interacción de dos cargas puntuales en el vacío se dirige a lo largo de la línea recta que conecta estas cargas, es proporcional a sus magnitudes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Es una fuerza atractiva si los signos de las cargas son diferentes y una fuerza repulsiva si estos signos son iguales.

Es importante señalar que para que la ley sea verdadera es necesario:

1. Cargas puntuales, es decir, la distancia entre cuerpos cargados debe ser mucho mayor que su tamaño. Sin embargo, se puede demostrar que la fuerza de interacción de dos cargas distribuidas volumétricamente con distribuciones espaciales esféricamente simétricas que no se cortan es igual a la fuerza de interacción de dos cargas puntuales equivalentes ubicadas en los centros de simetría esférica;
2. Su inmovilidad. De lo contrario, entran en vigor efectos adicionales: el campo magnético de la carga en movimiento y la fuerza de Lorentz adicional correspondiente que actúa sobre otra carga en movimiento;
3. Disposición de cargas en el vacío.

Sin embargo, con algunos ajustes, la ley también es válida para interacciones de cargas en un medio y para cargas en movimiento.

En forma vectorial, en la formulación de S. Coulomb, la ley se escribe de la siguiente manera:

dónde F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12)) es la fuerza con la que la carga 1 actúa sobre la carga 2; q 1 , q 2 (\displaystyle q_(1),q_(2))- la magnitud de las cargas; r → 12 (\displaystyle (\vec(r))_(12))- radio vector (vector dirigido de la carga 1 a la carga 2, e igual, en valor absoluto, a la distancia entre las cargas - r 12 (\displaystyle r_(12))); k (\ estilo de visualización k)- coeficiente de proporcionalidad.

Coeficiente k

La ley de Coulomb en la mecánica cuántica

La ley de Coulomb desde el punto de vista de la electrodinámica cuántica

Historia

Por primera vez G. V. Richmann sugirió investigar experimentalmente la ley de interacción de los cuerpos cargados eléctricamente en 1752-1753. Tenía la intención de utilizar para este propósito el electrómetro "indicador" diseñado por él. La implementación de este plan fue impedida por la trágica muerte de Richman.

Aproximadamente 11 años antes de Coulomb, en 1771, G. Cavendish descubrió experimentalmente la ley de interacción de cargas, pero el resultado no se publicó y permaneció desconocido durante mucho tiempo (más de 100 años). Los manuscritos de Cavendish fueron entregados a D.C. Maxwell recién en 1874 por uno de los descendientes de Cavendish en la gran inauguración del Laboratorio Cavendish y publicados en 1879.

El propio Coulomb se dedicó al estudio de la torsión de hilos e inventó la balanza de torsión. Descubrió su ley, usándolos para medir las fuerzas de interacción de bolas cargadas.

Ley de Coulomb, principio de superposición y ecuaciones de Maxwell

Grado de precisión de la ley de Coulomb

La ley de Coulomb es un hecho establecido experimentalmente. Su validez ha sido repetidamente confirmada por experimentos cada vez más precisos. Una de las direcciones de tales experimentos es verificar si el exponente difiere r en la ley de 2. Para encontrar esta diferencia, se utiliza el hecho de que si el grado es exactamente igual a dos, entonces no hay campo dentro de la cavidad del conductor, cualquiera que sea la forma de la cavidad o del conductor.

Tales experimentos fueron realizados por primera vez por Cavendish y repetidos por Maxwell en una forma mejorada, obteniendo para la diferencia máxima del exponente en una potencia de dos el valor 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))

Los experimentos realizados en 1971 en los Estados Unidos por E. R. Williams, D. E. Voller y G. A. Hill mostraron que el exponente en la ley de Coulomb es 2 dentro de (3 , 1 ± 2 , 7) × 10 − 16 (\displaystyle (3,1\pm 2,7)\times 10^(-16)) .

Para probar la precisión de la ley de Coulomb a distancias intraatómicas, W. Yu. Lamb y R. Rutherford en 1947 usaron mediciones de la disposición relativa de los niveles de energía del hidrógeno. Se encontró que incluso a distancias del orden de 10 −8 cm atómicos, el exponente de la ley de Coulomb difiere de 2 en no más de 10 −9 .

Coeficiente k (\ estilo de visualización k) en la ley de Coulomb permanece constante hasta 15⋅10 −6 .

Correcciones a la ley de Coulomb en electrodinámica cuántica

A distancias cortas (del orden de la onda de electrones de longitud Compton, λ mi = ℏ metro mi do (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3.86⋅10 −13 m , donde metro mi (\displaystyle m_(e)) es la masa del electrón, ℏ (\ estilo de visualización \ hbar)- Constante de Planck, c (\ estilo de visualización c)- la velocidad de la luz) los efectos no lineales de la electrodinámica cuántica se vuelven significativos: el intercambio virtual de fotones se superpone a la generación de pares virtuales electrón-positrón (así como muon-antimuon y taon-antitaon), y el efecto de apantallamiento disminuye (ver renormalización). Ambos efectos conducen a la aparición de términos de orden exponencialmente decrecientes. mi − 2 r / λ mi (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e))) en la expresión de la energía potencial de la interacción de cargas y, en consecuencia, a un aumento de la fuerza de interacción con respecto a la calculada por la ley de Coulomb.

dónde λ e (\displaystyle \lambda _(e))- Compton longitud de onda electrón, α = mi 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- estructura fina constante y r ≫ λ mi (\displaystyle r\gg \lambda _(e)).

A distancias del orden λ W = ℏ metro w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, donde metro w (\displaystyle m_(w)) es la masa del bosón W, entran en juego efectos electrodébiles.

En campos electromagnéticos externos intensos, que constituyen una fracción significativa del campo de ruptura vacío (del orden de metro mi C 2 mi λ mi (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m o metro mi C mi λ mi (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, tales campos se observan, por ejemplo, cerca de algunos tipos de estrellas de neutrones, a saber, magnetares) La ley de Coulomb también se viola debido a la dispersión de Delbrück de fotones de intercambio en fotones del campo externo y otros efectos no lineales más complejos. Este fenómeno reduce la fuerza de Coulomb no solo en escalas micro sino también macro, en particular, en un campo magnético fuerte, el potencial de Coulomb no cae inversamente proporcional a la distancia, sino exponencialmente.

Ley de Coulomb y polarización vacío

Ley de Coulomb y núcleos superpesados

El significado de la ley de Coulomb en la historia de la ciencia

La ley de Coulomb es la primera ley fundamental abierta cuantitativa y formulada matemáticamente para los fenómenos electromagnéticos. Con el descubrimiento de la ley de Coulomb, comenzó la ciencia moderna del electromagnetismo.

ver también

Enlaces

• Ley de Coulomb (lección en video, programa de décimo grado)

notas

1. Sivukhin D. V. Curso general de física. - M.: Fizmatlit; Editorial MIPT, 2004. - Vol. III. Electricidad. - T. 17. - 656 pág. - ISBN 5-9221-0227-3.
2. Landau LD, Lifshits EM Física teórica: libro de texto. Subsidio: Para universidades. V 10 t. T. 2 Teoría de Campos. - 8ª ed., estéreo. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 p. -

En electrostática, la ley de Coulomb es una de las fundamentales. Se utiliza en física para determinar la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales fijas o la distancia entre ellas. Es una ley fundamental de la naturaleza que no depende de ninguna otra ley. Entonces la forma del cuerpo real no afecta la magnitud de las fuerzas. En este artículo, explicaremos en términos simples la ley de Coulomb y su aplicación en la práctica.

Historial de descubrimiento

Sh.O. Coulomb en 1785 demostró por primera vez experimentalmente las interacciones descritas por la ley. En sus experimentos, utilizó una balanza de torsión especial. Sin embargo, allá por 1773, Cavendish demostró, usando el ejemplo de un condensador esférico, que no hay campo eléctrico dentro de la esfera. Esto sugirió que las fuerzas electrostáticas cambian según la distancia entre los cuerpos. Para ser más precisos, el cuadrado de la distancia. Entonces su investigación no fue publicada. Históricamente, este descubrimiento recibió el nombre de Coulomb, y la cantidad en la que se mide la carga tiene un nombre similar.

Fraseología

La definición de la ley de Coulomb es: en un aspiradorLa interacción F de dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus módulos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Suena corto, pero puede no ser claro para todos. En palabras simples: Cuanta más carga tienen los cuerpos y cuanto más cerca están entre sí, mayor es la fuerza.

Y viceversa: Si aumenta la distancia entre las cargas, la fuerza será menor.

La fórmula de la regla de Coulomb se ve así:

Designación de letras: q - valor de carga, r - distancia entre ellos, k - coeficiente, depende del sistema de unidades elegido.

El valor de la carga q puede ser condicionalmente positivo o condicionalmente negativo. Esta división es muy condicional. Cuando los cuerpos entran en contacto, se puede transmitir de uno a otro. De ello se deduce que un mismo cuerpo puede tener una carga de diferente magnitud y signo. Una carga puntual es una carga de este tipo o un cuerpo cuyas dimensiones son mucho más pequeñas que la distancia de posible interacción.

Se debe tener en cuenta que el entorno en el que se encuentran las cargas afecta la interacción F. Como es casi igual en el aire y en el vacío, el descubrimiento de Coulomb es aplicable solo para estos medios, esta es una de las condiciones para aplicar este tipo de fórmulas. Como ya se mencionó, en el sistema SI, la unidad de carga es Coulomb, abreviado como Cl. Caracteriza la cantidad de electricidad por unidad de tiempo. Es un derivado de las unidades SI básicas.

1 C = 1 UN * 1 s

Cabe señalar que la dimensión de 1 C es redundante. Debido al hecho de que los portadores se repelen entre sí, es difícil mantenerlos en un cuerpo pequeño, aunque la corriente de 1A en sí es pequeña si fluye en un conductor. Por ejemplo, en la misma lámpara incandescente de 100 W, fluye una corriente de 0,5 A, y en un calentador eléctrico y más de 10 A. Tal fuerza (1 C) es aproximadamente igual a la fuerza que actúa sobre un cuerpo con una masa de 1 t desde el lado del globo.

Te habrás dado cuenta de que la fórmula es casi la misma que en la interacción gravitacional, solo que si aparecen masas en la mecánica newtoniana, entonces aparecen cargas en la electrostática.

Fórmula de Coulomb para un medio dieléctrico.

El coeficiente, teniendo en cuenta los valores del sistema SI, se determina en N 2 *m 2 /Cl 2. es igual a:

En muchos libros de texto, este coeficiente se puede encontrar en forma de fracción:

Aquí E 0 \u003d 8.85 * 10-12 C2 / N * m2 es una constante eléctrica. Para un dieléctrico, se agrega E, la constante dieléctrica del medio, luego se puede usar la ley de Coulomb para calcular las fuerzas de interacción de las cargas para el vacío y el medio.

Teniendo en cuenta la influencia del dieléctrico, tiene la forma:

De aquí vemos que la introducción de un dieléctrico entre los cuerpos reduce la fuerza F.

¿Cómo se dirigen las fuerzas?

Las cargas interactúan entre sí según su polaridad: las mismas cargas se repelen y las opuestas (opuestas) se atraen.

Por cierto, esta es la principal diferencia con una ley similar de interacción gravitacional, donde los cuerpos siempre se atraen. Las fuerzas dirigidas a lo largo de una línea trazada entre ellas se llama radio vector. En física, se denota como r 12 y como un radio vector de la primera a la segunda carga y viceversa. Las fuerzas se dirigen desde el centro de la carga a la carga opuesta a lo largo de esta línea si las cargas son opuestas, y en sentido contrario si son del mismo nombre (dos positivas o dos negativas). En forma vectorial:

La fuerza aplicada a la primera carga desde la segunda se denota como F 12. Entonces, en forma vectorial, la ley de Coulomb se ve así:

Para determinar la fuerza aplicada a la segunda carga, se utilizan las designaciones F 21 y R 21.

Si el cuerpo tiene una forma compleja y es lo suficientemente grande como para que a una distancia determinada no pueda considerarse un punto, entonces se divide en pequeñas secciones y cada sección se considera como una carga puntual. Tras la suma geométrica de todos los vectores resultantes, se obtiene la fuerza resultante. Los átomos y las moléculas interactúan entre sí de acuerdo con la misma ley.

Aplicación en la práctica

Los trabajos de Coulomb son muy importantes en electrostática; en la práctica, se utilizan en una serie de inventos y dispositivos. Un ejemplo llamativo es el pararrayos. Con su ayuda, protegen edificios e instalaciones eléctricas de tormentas eléctricas, evitando así incendios y fallas en los equipos. Cuando llueve con tormenta eléctrica, una carga inducida de gran magnitud aparece en la tierra, son atraídas hacia la nube. Resulta que aparece un gran campo eléctrico en la superficie de la tierra. Cerca de la punta del pararrayos, tiene un gran valor, como resultado de lo cual se enciende una descarga de corona desde la punta (desde el suelo, a través del pararrayos hasta la nube). La carga del suelo es atraída por la carga opuesta de la nube, según la ley de Coulomb. El aire se ioniza y la intensidad del campo eléctrico disminuye cerca del extremo del pararrayos. Por lo tanto, las cargas no se acumulan en el edificio, en cuyo caso la probabilidad de que caiga un rayo es pequeña. Si se produce un golpe en el edificio, a través del pararrayos toda la energía irá al suelo.

En la investigación científica seria, se utiliza la mayor construcción del siglo XXI: el acelerador de partículas. En él, el campo eléctrico hace el trabajo de aumentar la energía de la partícula. Considerando estos procesos desde el punto de vista del impacto sobre una carga puntual por un grupo de cargas, entonces todas las relaciones de la ley resultan ser válidas.

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