III. Bases de l'électrodynamique

Sujet 1.1 CHARGES ÉLECTRIQUES.

Section 1 BASES DE L'ÉLECTRODYNAMIQUE

1. Électrification des carrosseries. Le concept de grandeur de charge.

Loi de conservation de charge.

2. Forces d'interaction entre les charges.

La loi de coulomb.

3. Constante diélectrique du milieu.

4. Système international d'unités en électricité.

1. Électrification des corps. Le concept de grandeur de charge.

Loi de conservation de charge.

Si deux surfaces sont mises en contact étroit, alors disponible transfert d'électrons d'une surface à l'autre, et des charges électriques apparaissent sur ces surfaces.

Ce phénomène est appelé ÉLECTRISATION. Lors du frottement, la zone de contact étroit des surfaces augmente et la quantité de charge sur la surface augmente également - ce phénomène est appelé ÉLECTRICATION PAR FRICTION.

Au cours du processus d'électrification, une redistribution des charges se produit, à la suite de laquelle les deux surfaces sont chargées de charges de même ampleur et de signe opposé.

Parce que tous les électrons ont les mêmes charges (négatives) e = 1,6 · 10 C, alors afin de déterminer la quantité de charge sur la surface (q), il faut savoir combien d'électrons sont en excès ou en déficit sur la surface (N) et la charge d'un électron.

Au cours du processus d'électrification, de nouvelles charges n'apparaissent ni ne disparaissent, mais apparaissent uniquement redistribution entre corps ou parties de corps, donc la charge totale d'un système fermé de corps reste constante, c'est le sens de la LOI DE CONSERVATION DE CHARGE.

2. Forces d’interaction entre les charges.

La loi de coulomb.

Les charges électriques interagissent les unes avec les autres lorsqu'elles sont situées à distance, tandis que les charges similaires se repoussent et les charges différentes s'attirent.

La première fois que je l'ai découvert expérimenté Comment dépend la force d'interaction entre les charges ? Le scientifique français Coulomb a dérivé une loi appelée loi de Coulomb. Loi fondamentale, c'est-à-dire basé sur l'expérience. Pour déduire cette loi, Coulomb a utilisé des balances de torsion.

3) k – coefficient exprimant la dépendance à l'égard de l'environnement.

Formule de la loi de Coulomb.

La force d'interaction entre deux charges ponctuelles stationnaires est directement proportionnelle au produit des grandeurs de ces charges et inversement proportionnelle au carré des distances qui les séparent, et dépend de l'environnement dans lequel se trouvent ces charges, et est dirigée le long de la ligne droite reliant les centres de ces charges.

3. Constante diélectrique du milieu.

E est la constante diélectrique du milieu, en fonction des charges du milieu environnant.

E = 8,85*10 - constante physique, constante diélectrique du vide.

E – constante diélectrique relative du milieu, montre combien de fois la force d'interaction entre les charges ponctuelles dans le vide est supérieure à celle dans un milieu donné. Dans le vide, l’interaction entre les charges est la plus forte.

4. Système international d'unités en électricité.

L'unité de base de l'électricité dans le système SI est le courant en 1A, toutes les autres unités de mesure sont dérivées de 1Ampère.

1C est la quantité de charge électrique transférée par des particules chargées à travers la section transversale d'un conducteur à un courant de 1A en 1s.

q=N;

Thème 1.2 CHAMP ÉLECTRIQUE

1. Champ électrique – en tant que type particulier de matière.

6. Relation entre la différence de potentiel et l'intensité du champ électrique.

1. Le champ électrique est comme un type particulier de matière.

Dans la nature, un champ électromagnétique existe comme type de matière. Dans différents cas, le champ électromagnétique se manifeste de différentes manières, par exemple, à proximité de charges stationnaires, seul un champ électrique se manifeste, appelé électrostatique. Les champs électriques et magnétiques peuvent être détectés à proximité de charges en mouvement, qui représentent ensemble des CHAMPS ÉLECTROMAGNÉTIQUES.

Considérons les propriétés des champs électrostatiques :

1) Le champ électrostatique est créé par des charges stationnaires ; de tels champs peuvent être détectés ;

en utilisant des charges de test (petite charge positive), car ce n’est que sur eux que le champ électrique exerce un effet de force qui obéit à la loi de Coulomb.

2. Intensité du champ électrique.

Le champ électrique en tant que type de matière a de l'énergie, de la masse, se propage dans l'espace à une vitesse finie et n'a pas de limites théoriques.

En pratique, on considère qu'il n'y a pas de champ s'il n'a pas d'effet notable sur les charges de test.

Puisque le champ peut être détecté en utilisant la force sur les charges de test, la principale caractéristique du champ électrique est tension.

Si des charges de test de différentes amplitudes sont introduites au même point du champ électrique, il existe alors une relation proportionnelle directe entre la force agissante et la valeur de la charge de test.

Le coefficient de proportionnalité entre la force agissant et l'ampleur de la charge est la tension E.

E = formule de calcul de l'intensité du champ électrique, si q = 1 C, alors | E | = | F |

La tension est une force caractéristique des points du champ électrique, car elle est numériquement égale à la force agissant sur une charge de 1 C en un point donné du champ électrique.

La tension est une grandeur vectorielle, le vecteur de tension en direction coïncide avec le vecteur de la force agissant sur la charge positive en un point donné du champ électrique.

3. Lignes d’intensité du champ électrique. Champ électrique uniforme.

Afin de représenter clairement le champ électrique, c'est-à-dire graphiquement, utilisez les lignes d’intensité du champ électrique. Ce sont des lignes, autrement appelées lignes de force, dont les tangentes en direction coïncident avec les vecteurs d'intensité aux points du champ électrique par lesquels passent ces lignes,

Les lignes de tension ont les propriétés suivantes :

1) Commencez en position. les charges se terminent par un négatif ou commencent par un positif. charges et aller à l'infini, ou venir de l'infini et finir sur des charges positives..

2) Ces lignes sont continues et ne se coupent nulle part.

3) La densité des lignes (le nombre de lignes par unité de surface) et l'intensité du champ électrique sont en dépendance directe et proportionnelle.

Dans un champ électrique uniforme, l'intensité en tous les points du champ est la même graphiquement, ces champs sont représentés par des lignes parallèles à égale distance les unes des autres ; Un tel champ peut être obtenu entre deux plaques chargées plates parallèles situées à faible distance l’une de l’autre.

4. Travaillez sur le déplacement d’une charge dans un champ électrique.

Plaçons une charge électrique dans un champ électrique uniforme. Les forces agiront à la charge depuis le terrain. Si une charge est déplacée, le travail peut être effectué.

Travail parfait dans les domaines :

A = q E d - formule pour calculer le travail de déplacement d'une charge dans un champ électrique.

Conclusion : Le travail de déplacement d'une charge dans un champ électrique ne dépend pas de la forme de la trajectoire, mais il dépend de l'ampleur de la charge déplacée (q), de l'intensité du champ (E), ainsi que du choix du points de départ et d’arrivée du mouvement (d).

Si une charge dans un champ électrique est déplacée le long d'un circuit fermé, alors le travail effectué sera égal à 0. De tels champs sont appelés champs de potentiel. Les corps dans de tels champs ont de l'énergie potentielle, c'est-à-dire une charge électrique en tout point du champ électrique a de l'énergie et le travail effectué dans le champ électrique est égal à la différence des énergies potentielles de la charge aux points de mouvement initial et final.

5. Potentiel. Différence potentielle. Tension.

Si des charges de tailles différentes sont placées en un point donné du champ électrique, alors l’énergie potentielle de la charge et son ampleur sont directement proportionnelles.

-(phi) potentiel d'un point de champ électrique

acceptons

Le potentiel est une caractéristique énergétique des points du champ électrique, car elle est numériquement égale à l'énergie potentielle d'une charge de 1 C en un point donné du champ électrique.

A égale distance d’une charge ponctuelle, les potentiels des points du champ sont les mêmes. Ces points forment une surface de potentiel égal, et ces surfaces sont appelées surfaces équipotentielles. Dans le plan, ce sont des cercles, dans l'espace, ce sont des sphères.

Tension

Formules pour calculer le travail de déplacement d'une charge dans un champ électrique.

1 V est la tension entre les points du champ électrique lors du déplacement d’une charge de 1 C et de l’exécution de 1 J de travail.

- une formule établissant la relation entre l'intensité du champ électrique, la tension et la différence de potentiel.

L'intensité est numériquement égale à la tension ou à la différence de potentiel entre deux points de champ pris le long d'une ligne de champ à une distance de 1 m. Le signe (-) signifie que le vecteur tension est toujours dirigé vers les points du champ à potentiel décroissant.

La loi de coulomb est une loi qui décrit les forces d'interaction entre les charges électriques ponctuelles.

Le module de la force d'interaction entre deux charges ponctuelles dans le vide est directement proportionnel au produit des modules de ces charges et inversement proportionnel au carré de la distance qui les sépare.

Sinon : Charges à deux points dans vide agissent les uns sur les autres avec des forces proportionnelles au produit des modules de ces charges, inversement proportionnelles au carré de la distance qui les sépare et dirigées le long de la droite reliant ces charges. Ces forces sont appelées électrostatiques (Coulomb).

Il est important de noter que pour que la loi soit vraie, il faut :

charges ponctuelles - c'est-à-dire que la distance entre les corps chargés est beaucoup plus grande que leurs tailles - cependant, il peut être prouvé que la force d'interaction de deux charges distribuées volumétriquement avec des distributions spatiales non sécantes à symétrie sphérique est égale à la force de interaction de deux charges ponctuelles équivalentes situées aux centres de symétrie sphérique ;

leur immobilité. Sinon, des effets supplémentaires prennent effet : un champ magnétique frais de déménagement et les frais supplémentaires correspondants Force de Lorentz, agissant sur une autre charge mobile ;

interaction dans vide.

Cependant, avec quelques ajustements, la loi est également valable pour les interactions de charges dans un milieu et pour les charges en mouvement.

Sous forme vectorielle dans la formulation de C. Coulomb, la loi s'écrit ainsi :

où est la force avec laquelle la charge 1 agit sur la charge 2 ; - l'ampleur des charges ; - rayon vecteur (vecteur dirigé de la charge 1 vers la charge 2, et égal, en valeur absolue, à la distance entre charges - ) ; - coefficient de proportionnalité. Ainsi, la loi indique que les charges semblables se repoussent (et que les charges différentes s’attirent).

DANS SSSE unité la charge est choisie de telle sorte que le coefficient kégal à un.

DANS Système international d'unités (SI) l'une des unités de base est l'unité intensité du courant électrique ampère, et l'unité de charge est pendentif- un dérivé de celui-ci. La valeur de l'ampère est définie de telle manière que k= c 2 10 −7 Gn/m = 8,9875517873681764 10 9 N m 2 / Cl 2 (ou Ф −1 m). Coefficient SI k s'écrit ainsi :

où ≈ 8,854187817·10 −12 F/m - constante électrique.

En 1785, le physicien français Charles Auguste Coulomb a établi expérimentalement la loi fondamentale de l'électrostatique - la loi de l'interaction de deux corps ou particules chargés ponctuellement.

La loi d'interaction des charges électriques stationnaires - la loi de Coulomb - est une loi physique fondamentale (fondamentale). Cela ne découle d’aucune autre loi de la nature.

Si l'on note les modules de charge par |q 1 | et |q 2 |, alors la loi de Coulomb peut s’écrire sous la forme suivante :

où k est un coefficient de proportionnalité dont la valeur dépend du choix des unités de charge électrique. Dans le système SI N m 2 / C 2, où ε 0 est la constante électrique égale à 8,85 10 -12 C 2 / N m 2

Énoncé de la loi :

La force d'interaction entre deux corps chargés stationnaires ponctuels dans le vide est directement proportionnelle au produit des modules de charge et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

La loi de Coulomb dans cette formulation n'est valable que pour les corps chargés ponctuellement, puisque ce n'est que pour eux que le concept de distance entre charges a une certaine signification. Il n’existe pas de corps chargés ponctuellement dans la nature. Mais si la distance entre les corps est plusieurs fois supérieure à leur taille, alors ni la forme ni la taille des corps chargés, comme le montre l'expérience, n'affectent de manière significative l'interaction entre eux. Dans ce cas, les corps peuvent être considérés comme des corps ponctuels.

Il est facile de constater que deux boules chargées suspendues à des fils s'attirent ou se repoussent. Il s'ensuit que les forces d'interaction entre deux corps chargés ponctuellement stationnaires sont dirigées le long de la ligne droite reliant ces corps.

De telles forces sont dites centrales. Si nous désignons la force agissant sur la première charge du côté de la seconde, et par l'intermédiaire de la force agissant sur la deuxième charge du côté de la première (Fig. 1), alors, selon la troisième loi de Newton, . Notons par le rayon vecteur tiré de la deuxième charge à la première (Fig. 2), alors

Si les signes des charges q 1 et q 2 sont les mêmes, alors la direction de la force coïncide avec la direction du vecteur ; sinon, les vecteurs et sont dirigés dans des directions opposées.

Connaissant la loi d'interaction des corps chargés ponctuellement, on peut calculer la force d'interaction de tout corps chargé. Pour ce faire, les corps doivent être décomposés mentalement en éléments si petits que chacun d’eux peut être considéré comme un point. En additionnant géométriquement les forces d’interaction de tous ces éléments entre eux, on peut calculer la force d’interaction résultante.

La découverte de la loi de Coulomb constitue la première étape concrète dans l'étude des propriétés de la charge électrique. La présence d'une charge électrique dans des corps ou des particules élémentaires signifie qu'ils interagissent entre eux selon la loi de Coulomb. Aucun écart par rapport à l'application stricte de la loi de Coulomb n'a été détecté pour l'instant.

L'expérience de Coulomb

La nécessité de mener les expériences de Coulomb était due au fait qu'au milieu du XVIIIe siècle. De nombreuses données de haute qualité sur les phénomènes électriques se sont accumulées. Il fallait leur donner une interprétation quantitative. Étant donné que les forces d'interaction électrique étaient relativement faibles, un problème sérieux s'est posé lors de la création d'une méthode permettant d'effectuer des mesures et d'obtenir le matériel quantitatif nécessaire.

L'ingénieur et scientifique français Charles Coulomb a proposé une méthode de mesure de petites forces, basée sur le fait expérimental suivant découvert par le scientifique lui-même : la force générée lors de la déformation élastique d'un fil métallique est directement proportionnelle à l'angle de torsion, le quatrième puissance du diamètre du fil, et inversement proportionnelle à sa longueur :

où d est le diamètre, l est la longueur du fil, φ est l'angle de torsion. Dans l'expression mathématique donnée, le coefficient de proportionnalité k était déterminé empiriquement et dépendait de la nature du matériau à partir duquel le fil était fabriqué.

Ce modèle a été utilisé dans les balances dites de torsion. Les échelles créées ont permis de mesurer des forces négligeables de l'ordre de 5·10 -8 N.

La balance à torsion (Fig. 3, a) était constituée d'une bascule en verre léger 9 de 10,83 cm de long, suspendue à un fil d'argent 5 d'environ 75 cm de long et de 0,22 cm de diamètre. À une extrémité de la bascule se trouvait une boule de sureau dorée 8. , et de l’autre – contrepoids 6 – un cercle de papier trempé dans de la térébenthine. L'extrémité supérieure du fil était fixée à la tête de l'appareil 1. Il y avait également un pointeur 2, à l'aide duquel l'angle de torsion du fil était mesuré sur une échelle circulaire 3. L'échelle était graduée. L'ensemble de ce système était logé dans les cylindres de verre 4 et 11. Dans le couvercle supérieur du cylindre inférieur, il y avait un trou dans lequel était insérée une tige de verre avec une boule 7 à son extrémité. Dans les expériences, des boules d'un diamètre allant de 0,45 à 0,68 cm ont été utilisées.

Avant le début de l’expérience, l’indicateur de tête était mis à zéro. Ensuite, la balle 7 a été chargée à partir de la balle 12 précédemment électrifiée. Lorsque la balle 7 est entrée en contact avec la balle mobile 8, une redistribution de la charge s'est produite. Cependant, du fait que les diamètres des billes étaient les mêmes, les charges sur les billes 7 et 8 étaient également les mêmes.

En raison de la répulsion électrostatique des billes (Fig. 3, b), la bascule 9 tourné d'un certain angle γ (sur une échelle 10 ). Utiliser la tête 1 cette bascule est revenue à sa position initiale. Sur une échelle 3 aiguille 2 permis de déterminer l'angle α tordre le fil. Angle de torsion total du fil φ = γ + α . La force d'interaction entre les balles était proportionnelle φ , c'est-à-dire que par l'angle de torsion, on peut juger de l'ampleur de cette force.

Avec une distance constante entre les boules (elle était fixée sur une échelle de 10 en degrés), la dépendance de la force d'interaction électrique entre les corps ponctuels sur la quantité de charge sur eux a été étudiée.

Pour déterminer la dépendance de la force sur la charge des boules, Coulomb a trouvé un moyen simple et ingénieux de modifier la charge de l'une des boules. Pour ce faire, il a connecté une balle chargée (balles 7 ou 8 ) de même taille non chargée (balle 12 sur la poignée isolante). Dans ce cas, la charge était répartie également entre les billes, ce qui réduisait la charge étudiée de 2, 4, etc. La nouvelle valeur de la force à la nouvelle valeur de la charge a été à nouveau déterminée expérimentalement. En même temps, il s'est avéré que la force est directement proportionnelle au produit des charges des balles:

La dépendance de la force de l'interaction électrique sur la distance a été découverte comme suit. Après avoir transmis une charge aux balles (elles avaient la même charge), la bascule a dévié d'un certain angle γ . Puis tourne la tête 1 cet angle a diminué jusqu'à γ 1 . Angle de torsion total φ 1 = α 1 + (γ - γ 1)(α 1 – angle de rotation de la tête). Lorsque la distance angulaire des billes est réduite à γ 2 angles de torsion totaux φ 2 = α 2 + (γ - γ 2) . On a remarqué que si γ 1 = 2γ 2, À φ 2 = 4φ 1, c'est-à-dire que lorsque la distance diminue d'un facteur 2, la force d'interaction augmente d'un facteur 4. Le moment de force a augmenté d'autant, puisque lors de la déformation en torsion, le moment de force est directement proportionnel à l'angle de torsion, et donc à la force (le bras de la force est resté inchangé). Cela conduit à la conclusion suivante : La force d'interaction entre deux boules chargées est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare :

Date : 29/04/2015

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✪ résolution de problèmes de physique LOI DE COULOMB

✪ Leçon 215. Problèmes sur la loi de Coulomb - 1

Les sous-titres

Formulations

La force d'interaction entre deux charges ponctuelles dans le vide est dirigée le long de la ligne droite reliant ces charges, est proportionnelle à leurs ampleurs et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. C'est une force attractive si les signes des charges sont différents, et une force répulsive si les signes sont les mêmes.

Il est important de noter que pour que la loi soit vraie, il faut :

1. La nature ponctuelle des charges, c'est-à-dire que la distance entre les corps chargés doit être beaucoup plus grande que leurs tailles. Cependant, il peut être prouvé que la force d'interaction entre deux charges distribuées volumétriquement avec des distributions spatiales non sécantes à symétrie sphérique est égale à la force d'interaction entre deux charges ponctuelles équivalentes situées aux centres de symétrie sphérique ;
2. Leur immobilité. Sinon, des effets supplémentaires entrent en vigueur : le champ magnétique d'une charge en mouvement et la force de Lorentz supplémentaire correspondante agissant sur une autre charge en mouvement ;
3. Disposition des charges dans le vide.

Cependant, avec quelques ajustements, la loi est également valable pour les interactions de charges dans un milieu et pour les charges en mouvement.

Sous forme vectorielle dans la formulation de C. Coulomb, la loi s'écrit ainsi :

Où F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12))- la force avec laquelle la charge 1 agit sur la charge 2 ; q 1 , q 2 (\style d'affichage q_(1),q_(2))- l'ampleur des charges ; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- rayon vecteur (vecteur dirigé de la charge 1 vers la charge 2, et égal, en valeur absolue, à la distance entre charges - r 12 (\displaystyle r_(12))); k (style d'affichage k)- coefficient de proportionnalité.

Coefficient k

La loi de Coulomb en mécanique quantique

La loi de Coulomb du point de vue de l'électrodynamique quantique

Histoire

Pour la première fois, G. V. Richman a proposé d'étudier expérimentalement la loi d'interaction des corps chargés électriquement en 1752-1753. Il avait l’intention d’utiliser à cet effet l’électromètre « à pointeur » qu’il avait conçu. La mise en œuvre de ce plan a été empêchée par la mort tragique de Richman.

Environ 11 ans avant Coulomb, en 1771, la loi d'interaction des charges fut découverte expérimentalement par G. Cavendish, mais le résultat ne fut pas publié et resta longtemps inconnu (plus de 100 ans). Les manuscrits de Cavendish n'ont été présentés à D. C. Maxwell qu'en 1874 par l'un des descendants de Cavendish lors de l'inauguration du laboratoire Cavendish et publiés en 1879.

Coulomb lui-même étudia la torsion des fils et inventa les balances à torsion. Il a découvert sa loi en les utilisant pour mesurer les forces d'interaction de balles chargées.

Loi de Coulomb, principe de superposition et équations de Maxwell

Degré de précision de la loi de Coulomb

La loi de Coulomb est un fait établi expérimentalement. Sa validité a été confirmée à plusieurs reprises par des expériences de plus en plus précises. Une direction de telles expériences est de tester si l'exposant diffère r dans la loi de 2. Pour trouver cette différence, on utilise le fait que si la puissance est exactement égale à deux, alors il n'y a pas de champ à l'intérieur de la cavité du conducteur, quelle que soit la forme de la cavité ou du conducteur.

De telles expériences ont été réalisées pour la première fois par Cavendish et répétées par Maxwell sous une forme améliorée, obtenant pour la différence maximale entre un exposant et une puissance de deux la valeur 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))

Des expériences réalisées en 1971 aux États-Unis par E.R. Williams, D.E. Voller et G.A. Hill ont montré que l'exposant de la loi de Coulomb est égal à 2, avec une précision de (3, 1 ± 2, 7) × 10 − 16 (\displaystyle (3.1\pm 2.7)\times 10^(-16)) .

Pour tester l'exactitude de la loi de Coulomb aux distances intra-atomiques, W. Yu Lamb et R. Rutherford ont utilisé en 1947 des mesures des positions relatives des niveaux d'énergie de l'hydrogène. Il a été constaté que même à des distances de l’ordre atomique de 10 −8 cm, l’exposant de la loi de Coulomb ne diffère de 2 que de 10 −9 au maximum.

Coefficient k (style d'affichage k) dans la loi de Coulomb reste constante avec une précision de 15⋅10 −6.

Amendements à la loi de Coulomb en électrodynamique quantique

À courte distance (de l'ordre de la longueur d'onde électronique de Compton, λ e = ℏ m e c (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3,86⋅10 −13 m, où moi e (\ displaystyle m_ (e))- la masse des électrons, ℏ (\displaystyle \hbar)- la constante de Planck, c (style d'affichage c)- vitesse de la lumière) les effets non linéaires de l'électrodynamique quantique deviennent significatifs : l'échange de photons virtuels se superpose à la génération de paires virtuelles électron-positon (ainsi que muon-antimuon et taon-antitaon), et l'influence de l'écrantage est réduite ( voir renormalisation). Les deux effets conduisent à l’apparition de termes d’ordre exponentiellement décroissants. e − 2 r / λ e (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e))) dans l’expression de l’énergie potentielle d’interaction des charges et, par conséquent, à une augmentation de la force d’interaction par rapport à celle calculée par la loi de Coulomb.

Où λ e ( displaystyle lambda _ (e))- Longueur d'onde Compton de l'électron, α = e 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- structure fine constante et r ≫ λ e (\ displaystyle r \ gg \ lambda _ (e)).

À des distances de l'ordre λ W = ℏ m w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, où m w (\style d'affichage m_(w))- masse du boson W, les effets électrofaibles entrent en jeu.

Dans de forts champs électromagnétiques externes, constituant une fraction notable du champ de claquage du vide (de l'ordre de m e c 2 e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m ou m e c e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, de tels champs sont observés, par exemple, à proximité de certains types d'étoiles à neutrons, à savoir les magnétars), la loi de Coulomb est également violée en raison de la diffusion de Delbrück des photons d'échange sur les photons du champ externe et d'autres effets non linéaires plus complexes. Ce phénomène réduit la force coulombienne non seulement à l'échelle micro mais aussi à l'échelle macro. En particulier, dans un champ magnétique fort, le potentiel coulombien ne chute pas en proportion inverse de la distance, mais de manière exponentielle ;

Loi de Coulomb et polarisation du vide

Loi de Coulomb et noyaux super-lourds

L'importance de la loi de Coulomb dans l'histoire des sciences

La loi de Coulomb est la première loi fondamentale quantitative et formulée mathématiquement découverte pour les phénomènes électromagnétiques. La découverte de la loi de Coulomb a lancé la science moderne de l'électromagnétisme.

voir également

Liens

• Loi de Coulomb (leçon vidéo, programme de 10e année)

Remarques

1. Sivukhin D.V. Cours de physique générale. - M. : Fizmatlit ; Maison d'édition MIPT, 2004. - T. III. Électricité. - P. 17. - 656 p. -ISBN 5-9221-0227-3.
2. Landau L. D., Lifshits E. M. Physique théorique : manuel.  manuel : pour les universités.  V 10 t. T. 2 Théorie des champs. - 8e éd., stéréotype. - M. : FIZMATLIT, 2001. - 536 p. -

En électrostatique, l'une des lois fondamentales est la loi de Coulomb. Il est utilisé en physique pour déterminer la force d’interaction entre deux charges ponctuelles stationnaires ou la distance qui les sépare. Il s’agit d’une loi fondamentale de la nature qui ne dépend d’aucune autre loi. La forme du corps réel n’affecte alors pas l’ampleur des forces. Dans cet article, nous expliquerons en termes simples la loi de Coulomb et son application pratique.

Histoire de la découverte

Sh.O. Coulomb en 1785 fut le premier à prouver expérimentalement les interactions décrites par la loi. Dans ses expériences, il a utilisé des balances de torsion spéciales. Cependant, en 1773, Cavendish a prouvé, en utilisant l'exemple d'un condensateur sphérique, qu'il n'y avait pas de champ électrique à l'intérieur de la sphère. Cela indique que les forces électrostatiques varient en fonction de la distance entre les corps. Pour être plus précis, le carré de la distance. Ses recherches n’ont alors pas été publiées. Historiquement, cette découverte porte le nom de Coulomb, et la quantité dans laquelle la charge est mesurée porte un nom similaire.

Formulation

La définition de la loi de Coulomb dit : Dans le videL'interaction F de deux corps chargés est directement proportionnelle au produit de leurs modules et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Cela semble court, mais cela n’est peut-être pas clair pour tout le monde. En termes simples : Plus les corps sont chargés et plus ils sont proches les uns des autres, plus la force est grande.

Et vice versa: Si vous augmentez la distance entre les charges, la force diminuera.

La formule de la règle de Coulomb ressemble à ceci :

Désignation des lettres : q - valeur de charge, r - distance entre elles, k - coefficient, dépend du système d'unités choisi.

La valeur de charge q peut être conditionnellement positive ou conditionnellement négative. Cette division est très arbitraire. Lorsque les corps entrent en contact, cela peut se transmettre de l’un à l’autre. Il s'ensuit qu'un même corps peut avoir une charge de grandeur et de signe différents. Une charge ponctuelle est une charge ou un corps dont les dimensions sont bien inférieures à la distance d'interaction possible.

Il convient de considérer que l’environnement dans lequel se trouvent les charges affecte l’interaction F. Comme elle est presque égale dans l'air et dans le vide, la découverte de Coulomb n'est applicable que pour ces milieux ; c'est une des conditions d'utilisation de ce type de formule. Comme déjà mentionné, dans le système SI, l'unité de mesure de la charge est le Coulomb, en abrégé Cl. Il caractérise la quantité d'électricité par unité de temps. Il est dérivé des unités de base SI.

1 C = 1 A*1 s

Il convient de noter que la dimension de 1 C est redondante. En raison du fait que les porteurs se repoussent, il est difficile de les contenir dans un petit corps, bien que le courant 1A lui-même soit faible s'il circule dans un conducteur. Par exemple, dans la même lampe à incandescence de 100 W, un courant de 0,5 A circule, et dans un radiateur électrique, il circule plus de 10 A. Une telle force (1 C) est approximativement égale à la masse d'une tonne agissant sur un corps depuis le côté du globe.

Vous avez peut-être remarqué que la formule est presque la même que dans l'interaction gravitationnelle, seulement si des masses apparaissent en mécanique newtonienne, alors des charges apparaissent en électrostatique.

Formule coulombienne pour un milieu diélectrique

Le coefficient, prenant en compte les valeurs du système SI, est déterminé en N 2 * m 2 / Cl 2. Il est égal à :

Dans de nombreux manuels, ce coefficient se retrouve sous la forme d'une fraction :

Ici E 0 = 8,85*10-12 C2/N*m2 est la constante électrique. Pour un diélectrique, E est ajouté - la constante diélectrique du milieu, puis la loi de Coulomb peut être utilisée pour calculer les forces d'interaction des charges pour le vide et le milieu.

Compte tenu de l'influence du diélectrique, il a la forme :

On voit de là que l'introduction d'un diélectrique entre les corps réduit la force F.

Comment les forces sont-elles dirigées ?

Les charges interagissent les unes avec les autres en fonction de leur polarité - les charges similaires se repoussent et les charges différentes (opposées) s'attirent.

À propos, c'est la principale différence avec une loi similaire d'interaction gravitationnelle, où les corps s'attirent toujours. Les forces sont dirigées le long de la ligne tracée entre elles, appelée rayon vecteur. En physique, il est noté r 12 et rayon vecteur de la première à la deuxième charge et vice versa. Les forces sont dirigées du centre de la charge vers la charge opposée le long de cette ligne si les charges sont opposées, et en sens inverse si elles sont du même nom (deux positives ou deux négatives). Sous forme vectorielle :

La force appliquée à la première charge par la seconde est notée F 12. Alors, sous forme vectorielle, la loi de Coulomb ressemble à ceci :

Pour déterminer la force appliquée à la deuxième charge, les désignations F 21 et R 21 sont utilisées.

Si le corps a une forme complexe et est suffisamment grand pour qu'à une distance donnée il ne puisse pas être considéré comme une charge ponctuelle, il est alors divisé en petites sections et chaque section est considérée comme une charge ponctuelle. Après avoir additionné géométriquement tous les vecteurs résultants, la force résultante est obtenue. Les atomes et les molécules interagissent entre eux selon la même loi.

Application en pratique

Le travail de Coulomb est très important en électrostatique ; en pratique, il est utilisé dans un certain nombre d'inventions et d'appareils. Un exemple frappant est un paratonnerre. Avec son aide, ils protègent les bâtiments et les installations électriques des orages, évitant ainsi les incendies et les pannes d'équipements. Lorsqu'il pleut avec un orage, une charge induite de grande ampleur apparaît au sol, ils sont attirés vers le nuage. Il s'avère qu'un grand champ électrique apparaît à la surface de la terre. Près de la pointe du paratonnerre, il est plus grand, ce qui entraîne une décharge corona depuis la pointe (du sol, à travers le paratonnerre jusqu'au nuage). La charge du sol est attirée par la charge opposée du nuage, selon la loi de Coulomb. L'air est ionisé et l'intensité du champ électrique diminue près de l'extrémité du paratonnerre. Ainsi, les charges ne s’accumulent pas sur le bâtiment, auquel cas la probabilité d’un coup de foudre est faible. Si un impact se produit sur le bâtiment, toute l'énergie ira dans le sol via le paratonnerre.

La recherche scientifique sérieuse utilise le plus grand appareil du 21e siècle : l'accélérateur de particules. Dans celui-ci, le champ électrique a pour effet d’augmenter l’énergie de la particule. Considérant ces processus du point de vue de l'influence d'un groupe de charges sur une charge ponctuelle, alors toutes les relations de la loi s'avèrent valables.

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