AKU AKU AKU. Dasar-dasar elektrodinamika

Topik 1.1 BIAYA LISTRIK.

Bagian 1 DASAR-DASAR ELEKTRODINAMIKA

1. Elektrifikasi tubuh. Konsep besarnya muatan.

Hukum kekekalan muatan.

2. Kekuatan interaksi antar muatan.

hukum Coulomb.

3. Izin dielektrik medium.

4. Sistem satuan internasional dalam kelistrikan.

1. Elektrifikasi telp. Konsep besarnya muatan.

Hukum kekekalan muatan.

Jika dua permukaan dibawa ke dalam kontak dekat, maka tersedia transisi elektron dari satu permukaan ke permukaan lainnya, sementara muatan listrik muncul di permukaan tersebut.

Fenomena ini disebut LISTRIK. Selama gesekan, area kontak dekat permukaan meningkat, dan besarnya muatan di permukaan juga meningkat - fenomena ini disebut LISTRIK DENGAN FRIKSI.

Dalam proses elektrifikasi, terjadi redistribusi muatan, akibatnya kedua permukaan diisi dengan muatan yang sama besarnya, berlawanan dengan muatan tanda.

Karena semua elektron memiliki muatan yang sama (negatif) e \u003d 1,6 10 C, maka untuk menentukan muatan pada permukaan (q), perlu diketahui berapa elektron yang kelebihan atau kekurangan pada permukaan (N) dan muatan satu elektron.

Dalam proses elektrifikasi, muatan baru tidak muncul atau hilang, melainkan hanya terjadi. redistribusi antara benda atau bagian tubuh, oleh karena itu muatan total dari sistem benda yang tertutup tetap konstan, inilah yang dimaksud dengan HUKUM KEHILANGAN BIAYA.

2. Kekuatan interaksi antara muatan.

hukum Coulomb.

Muatan listrik berinteraksi satu sama lain, berada di kejauhan, sementara muatan sejenis tolak-menolak, dan muatan tidak sejenis tarik-menarik.

Menemukan untuk pertama kalinya berpengalaman dimana kekuatan interaksi antara muatan bergantung, ilmuwan Prancis Coulomb dan menyimpulkan sebuah hukum yang disebut hukum Coulomb. Hukum dasar yaitu berdasarkan pengalaman. Dalam menurunkan hukum ini, Coulomb menggunakan neraca torsi.

3) k - koefisien yang menyatakan ketergantungan pada lingkungan.

Rumus hukum Coulomb.

Gaya interaksi antara dua muatan titik tetap berbanding lurus dengan hasil kali besaran muatan ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya, dan bergantung pada lingkungan tempat muatan ini berada, dan diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan pusat-pusat muatan ini.

3. Permitivitas dielektrik medium.

E adalah konstanta dielektrik medium, tergantung pada medium yang mengelilingi muatan.

E \u003d 8,85 * 10 - konstanta fisik, izin vakum.

E - permitivitas relatif media, menunjukkan berapa kali gaya interaksi antara muatan titik dalam ruang hampa lebih besar daripada di media tertentu. Dalam ruang hampa, interaksi terkuat antara muatan.

4. Sistem satuan internasional dalam kelistrikan.

Satuan dasar listrik dalam sistem SI adalah arus dalam 1A, semua satuan pengukuran lainnya diturunkan dari 1Ampere.

1Cl - jumlah muatan listrik yang dibawa oleh partikel bermuatan melalui penampang konduktor pada kekuatan arus 1A selama 1s.

q=N;

Topik 1.2 MEDAN LISTRIK

1. Medan listrik - sebagai jenis materi khusus.

6. Hubungan antara beda potensial dan kuat medan listrik.

1. Medan listrik - sebagai jenis materi khusus.

Di alam, sebagai sejenis materi, ada medan elektromagnetik. Dalam kasus yang berbeda, medan elektromagnetik memanifestasikan dirinya dengan cara yang berbeda, misalnya, di dekat muatan stasioner, hanya medan listrik yang memanifestasikan dirinya, yang disebut elektrostatik. Di dekat muatan seluler, seseorang dapat mendeteksi medan listrik dan magnet, yang bersama-sama mewakili BIDANG ELEKTROMAGNETIK.

Pertimbangkan sifat-sifat medan elektrostatik:

1) Medan elektrostatik dibuat oleh muatan stasioner, medan tersebut dapat dideteksi

dengan bantuan muatan uji (muatan positif kecil), karena hanya pada mereka medan listrik memberikan aksi gaya, yang mematuhi hukum Coulomb.

2. Kekuatan medan listrik.

Medan listrik sebagai sejenis materi memiliki energi, massa, merambat di ruang angkasa dengan kecepatan terbatas dan tidak memiliki batasan teoretis.

Dalam praktiknya, dianggap tidak ada medan jika tidak memiliki efek nyata pada muatan uji.

Karena medan dapat dideteksi dengan menggunakan aksi gaya pada muatan uji, karakteristik utama medan listrik adalah ketegangan.

Jika muatan uji dengan besaran berbeda diperkenalkan pada titik yang sama dari medan listrik, maka ada hubungan proporsional langsung antara gaya kerja dan besarnya muatan uji.

Koefisien proporsionalitas antara gaya akting dan besarnya muatan adalah intensitas E.

E \u003d - rumus menghitung kuat medan listrik, jika q \u003d 1 C, maka | e | = | F |

Ketegangan adalah karakteristik kekuatan titik-titik medan listrik, karena itu secara numerik sama dengan gaya yang bekerja pada muatan 1 C pada titik tertentu di medan listrik.

Ketegangan adalah besaran vektor, vektor intensitas bertepatan dengan arah vektor gaya yang bekerja pada muatan positif pada titik tertentu medan listrik.

3. Garis kuat medan listrik. Medan listrik homogen.

Untuk memvisualisasikan medan listrik, mis. secara grafis, gunakan garis kekuatan medan listrik. Ini adalah garis-garis seperti itu, atau disebut garis gaya, garis singgung yang searah dengan vektor intensitas pada titik-titik medan listrik yang dilalui garis-garis ini,

Garis tegangan memiliki sifat sebagai berikut:

1) Mulai dari pos. biaya berakhir - negatif, atau mulai positif. muatan dan menuju tak terhingga, atau datang dari tak terhingga dan diakhiri dengan muatan positif..

2) Garis-garis ini kontinu dan tidak berpotongan di mana pun.

3) Kerapatan garis (jumlah garis per satuan luas permukaan) dan kuat medan listrik berbanding lurus dan proporsional.

Dalam medan listrik yang seragam, intensitas di semua titik medan adalah sama, secara grafis, medan seperti itu digambarkan oleh garis paralel pada jarak yang sama satu sama lain. Medan seperti itu dapat diperoleh antara dua pelat bermuatan datar paralel pada jarak kecil satu sama lain.

4. Kerjakan pergerakan muatan dalam medan listrik.

Mari kita tempatkan muatan listrik dalam medan listrik yang seragam. Pasukan akan bertindak atas muatan dari sisi lapangan. Jika muatan dipindahkan, pekerjaan dapat dilakukan.

Pekerjaan sempurna di plot:

A \u003d q E d - rumus untuk menghitung usaha memindahkan muatan dalam medan listrik.

Kesimpulan: Pekerjaan memindahkan muatan dalam medan listrik tidak tergantung pada bentuk lintasannya, tetapi tergantung pada jumlah muatan yang dipindahkan (q), kekuatan medan (E), serta pilihan titik awal dan akhir gerakan (d).

Jika muatan dalam medan listrik digerakkan sepanjang rangkaian tertutup, maka usaha yang dilakukan akan sama dengan 0. Medan seperti itu disebut medan potensial. Benda-benda di bidang tersebut memiliki energi potensial, mis. muatan listrik di setiap titik medan listrik memiliki energi dan kerja yang dilakukan di medan listrik sama dengan perbedaan energi potensial muatan di titik awal dan akhir gerakan.

5. Potensi. Perbedaan potensial. Voltase.

Jika muatan dengan besaran berbeda ditempatkan pada titik tertentu medan listrik, maka energi potensial muatan dan besarnya berbanding lurus.

-(phi) potensial titik medan listrik

menerima

Potensi adalah karakteristik energi dari titik-titik medan listrik, karena itu secara numerik sama dengan energi potensial muatan 1 C pada titik tertentu di medan listrik.

Pada jarak yang sama dari muatan titik, potensial titik-titik medan adalah sama. Titik-titik ini membentuk permukaan potensial yang sama, dan permukaan tersebut disebut permukaan ekuipotensial. Di pesawat mereka adalah lingkaran, di ruang angkasa mereka adalah bola.

Voltase

Rumus untuk menghitung pekerjaan memindahkan muatan dalam medan listrik.

1V adalah tegangan antara titik-titik medan listrik saat bergerak di mana muatan 1C bekerja sebesar 1 J.

- rumus yang menetapkan hubungan antara kekuatan medan listrik, tegangan, dan beda potensial.

Ketegangan secara numerik sama dengan tegangan atau perbedaan potensial antara dua titik medan yang diambil sepanjang garis medan yang sama pada jarak 1m. Tanda (-) berarti bahwa vektor intensitas selalu mengarah ke titik-titik medan dengan potensial yang menurun.

hukum Coulomb adalah hukum yang menjelaskan gaya interaksi antara muatan listrik titik.

Modul gaya interaksi dua muatan titik dalam ruang hampa berbanding lurus dengan produk modul muatan ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya.

Jika tidak: Muatan dua titik masuk kekosongan bekerja satu sama lain dengan gaya yang sebanding dengan produk modul muatan ini, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka dan diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan ini. Gaya-gaya ini disebut elektrostatik (Coulomb).

Penting untuk dicatat bahwa agar hukum itu benar, perlu:

muatan titik - yaitu, jarak antara benda bermuatan jauh lebih besar daripada ukurannya - namun, dapat dibuktikan bahwa gaya interaksi dua muatan yang terdistribusi secara volumetrik dengan distribusi spasial simetris bola yang tidak berpotongan sama dengan gaya interaksi dua muatan titik ekuivalen yang terletak di pusat simetri bola;

imobilitas mereka. Jika tidak, efek tambahan akan berlaku: medan magnet muatan bergerak dan tambahan yang sesuai gaya Lorentz bertindak atas muatan bergerak lainnya;

interaksi di kekosongan.

Namun, dengan beberapa penyesuaian, hukum ini juga berlaku untuk interaksi muatan dalam suatu medium dan untuk muatan bergerak.

Dalam bentuk vektor, dalam rumusan S. Coulomb, hukum tersebut ditulis sebagai berikut:

di mana gaya yang menyebabkan muatan 1 bekerja pada muatan 2; - besarnya biaya; - radius vektor (vektor diarahkan dari muatan 1 ke muatan 2, dan sama, dalam modulus, dengan jarak antara muatan - ); - koefisien proporsionalitas. Jadi, undang-undang menunjukkan bahwa muatan dengan nama yang sama menolak (dan muatan berlawanan menarik).

PADA SGSE satuan muatan dipilih sedemikian rupa sehingga koefisiennya k sama dengan satu.

PADA Sistem Satuan Internasional (SI) salah satu satuan dasar adalah satuan kekuatan arus listrik amper, dan satuan muatannya adalah liontin adalah turunannya. Ampere didefinisikan sedemikian rupa sehingga k= c 2 10 −7 gn/ m \u003d 8,9875517873681764 10 9 H m2 / Kl 2 (atau Ф −1 m). Dalam koefisien SI k ditulis sebagai:

dimana ≈ 8,854187817 10 −12 F/m - konstanta listrik.

Pada 1785, fisikawan Prancis Charles Auguste Coulomb secara eksperimental menetapkan hukum dasar elektrostatika - hukum interaksi dua benda atau partikel bermuatan titik yang tidak bergerak.

Hukum interaksi muatan listrik tak bergerak - hukum Coulomb - adalah hukum fisika utama (dasar). Itu tidak mengikuti dari hukum alam lainnya.

Jika kita menetapkan modul muatan sebagai |q 1 | dan |q 2 |, maka hukum Coulomb dapat dituliskan dalam bentuk berikut:

di mana k adalah koefisien proporsionalitas, yang nilainya tergantung pada pilihan unit muatan listrik. Dalam sistem SI N m 2 / C 2, di mana ε 0 adalah konstanta listrik sama dengan 8,85 10 -12 C 2 / N m 2

Rumusan hukumnya:

Gaya interaksi benda bermuatan dua titik yang tidak bergerak dalam ruang hampa berbanding lurus dengan produk modul muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya.

Hukum Coulomb dalam formulasi ini hanya berlaku untuk benda bermuatan titik, karena hanya bagi mereka konsep jarak antar muatan memiliki arti tertentu. Tidak ada benda bermuatan titik di alam. Tetapi jika jarak antara benda berkali-kali lebih besar dari ukurannya, maka baik bentuk maupun ukuran benda bermuatan, seperti yang diperlihatkan oleh pengalaman, tidak mempengaruhi interaksi di antara mereka secara signifikan. Dalam hal ini, tubuh dapat dianggap sebagai titik.

Sangat mudah untuk menemukan bahwa dua bola bermuatan yang digantung pada tali saling menarik atau saling tolak. Oleh karena itu, gaya interaksi dari dua benda bermuatan titik tak bergerak diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan benda-benda ini.

Kekuatan seperti itu disebut pusat. Jika kita menunjukkan gaya yang bekerja pada muatan pertama dari muatan kedua, dan melalui gaya yang bekerja pada muatan kedua dari muatan pertama (Gbr. 1), maka menurut hukum ketiga Newton, . Dilambangkan dengan vektor jari-jari yang ditarik dari muatan kedua ke muatan pertama (Gbr. 2), lalu

Jika tanda muatan q 1 dan q 2 sama, maka arah gaya bertepatan dengan arah vektor; jika tidak, vektor dan diarahkan ke arah yang berlawanan.

Mengetahui hukum interaksi benda bermuatan titik, dimungkinkan untuk menghitung gaya interaksi benda bermuatan apa pun. Untuk melakukan ini, tubuh harus dibagi secara mental menjadi elemen-elemen kecil sedemikian rupa sehingga masing-masing dapat dianggap sebagai titik. Menambahkan secara geometris gaya interaksi semua elemen ini satu sama lain, dimungkinkan untuk menghitung gaya interaksi yang dihasilkan.

Penemuan hukum Coulomb merupakan langkah konkrit pertama dalam mempelajari sifat-sifat muatan listrik. Kehadiran muatan listrik dalam benda atau partikel elementer berarti mereka berinteraksi satu sama lain menurut hukum Coulomb. Tidak ada penyimpangan dari penerapan ketat hukum Coulomb yang ditemukan saat ini.

Pengalaman Coulomb

Perlunya eksperimen Coulomb disebabkan oleh fakta bahwa pada pertengahan abad ke-18. mengumpulkan banyak data kualitatif tentang fenomena kelistrikan. Ada kebutuhan untuk memberi mereka interpretasi kuantitatif. Karena gaya interaksi listrik relatif kecil, masalah serius muncul dalam pembuatan metode yang memungkinkan pengukuran dan memperoleh bahan kuantitatif yang diperlukan.

Insinyur dan ilmuwan Prancis Charles Coulomb mengusulkan metode untuk mengukur gaya kecil, yang didasarkan pada fakta eksperimental berikut, yang ditemukan oleh ilmuwan itu sendiri: gaya yang timbul dari deformasi elastis kawat logam berbanding lurus dengan sudut puntiran, kekuatan keempat diameter kawat dan berbanding terbalik dengan panjangnya:

di mana d adalah diameter, l adalah panjang kawat, φ adalah sudut puntir. Dalam ekspresi matematis di atas, koefisien proporsionalitas k ditemukan secara empiris dan bergantung pada sifat bahan dari mana kawat itu dibuat.

Pola ini digunakan dalam apa yang disebut neraca torsi. Timbangan yang dibuat memungkinkan untuk mengukur kekuatan yang dapat diabaikan dari urutan 5 10 -8 N.

Neraca torsi (Gbr. 3, a) terdiri dari balok kaca ringan sepanjang 9 10,83 cm, digantung pada kawat perak 5 dengan panjang sekitar 75 cm, diameter 0,22 cm, bola elderberry berlapis emas 8 terletak di salah satu ujung balok , dan - penyeimbang 6 - lingkaran kertas yang dicelupkan ke dalam terpentin. Ujung atas kawat dipasang pada kepala alat 1. Ada juga penunjuk 2, yang sudut lilitan benangnya diukur pada skala lingkaran 3. Skala itu bertingkat. Seluruh sistem ini ditempatkan di silinder kaca 4 dan 11. Penutup atas silinder bawah memiliki lubang di mana batang kaca dengan bola 7 di ujungnya dimasukkan. Dalam percobaan, bola dengan diameter mulai dari 0,45 hingga 0,68 cm digunakan.

Sebelum percobaan dimulai, indikator kepala disetel ke nol. Kemudian bola 7 diisi dari bola 12 yang telah dialiri listrik sebelumnya. Ketika bola 7 bersentuhan dengan bola bergerak 8, muatan didistribusikan kembali. Namun, karena diameter bolanya sama, muatan bola 7 dan 8 juga sama.

Karena tolakan elektrostatik bola (Gbr. 3, b), rocker 9 diputar ke suatu sudut γ (dalam skala 10 ). Dengan kepala 1 rocker ini kembali ke posisi semula. Dalam skala 3 penunjuk 2 diperbolehkan untuk menentukan sudut α pelintiran benang. Sudut putar total φ = γ + α . Kekuatan interaksi bola itu proporsional φ , yaitu sudut puntiran dapat digunakan untuk menilai besarnya gaya ini.

Pada jarak konstan antara bola (diperbaiki pada skala 10 derajat), ketergantungan gaya interaksi listrik benda titik pada besarnya muatan dipelajari.

Untuk menentukan ketergantungan gaya pada muatan bola, Coulomb menemukan cara sederhana dan cerdik untuk mengubah muatan salah satu bola. Untuk melakukan ini, dia menghubungkan bola bermuatan (bola 7 atau 8 ) dengan ukuran yang sama tanpa muatan (bola 12 pada pegangan isolasi). Dalam hal ini, muatan didistribusikan secara merata di antara bola, yang mengurangi muatan yang diselidiki sebanyak 2, 4 kali, dll. Nilai gaya baru pada nilai baru muatan ditentukan lagi secara eksperimental. Pada saat yang sama, ternyata bahwa gaya berbanding lurus dengan perkalian muatan bola:

Ketergantungan gaya interaksi listrik pada jarak ditemukan sebagai berikut. Setelah muatan dikomunikasikan ke bola (mereka memiliki muatan yang sama), kursi goyang dibelokkan dengan sudut tertentu γ . Lalu memutar kepala 1 sudut ini direduksi menjadi γ satu . Total sudut puntiran φ 1 = α 1 + (γ - γ 1)(α 1 - sudut rotasi kepala). Ketika jarak sudut bola berkurang menjadi γ 2 sudut putar total φ 2 = α 2 + (γ - γ 2). Diketahui bahwa jika γ 1 = 2γ 2 , LALU φ 2 = 4φ 1 , yaitu, ketika jarak berkurang dengan faktor 2, gaya interaksi meningkat dengan faktor 4. Momen gaya meningkat dengan jumlah yang sama, karena selama deformasi torsi, momen gaya berbanding lurus dengan sudut puntiran, dan karenanya gaya (lengan gaya tetap tidak berubah). Dari sini berikut kesimpulannya: Gaya antara dua bola bermuatan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

Tanggal: 04/29/2015

YouTube ensiklopedis

1 / 5

✪ Pelajaran 213. Muatan listrik dan interaksinya. Hukum Coulomb

✪ 8 sel - 106. Hukum Coulomb

✪ Hukum Coulomb

✪ fisika HUKUM COULOMB pemecahan masalah

✪ Pelajaran 215

Subtitle

Susunan kata

Gaya interaksi dua muatan titik dalam ruang hampa diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan ini, sebanding dengan besarnya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya. Ini adalah gaya tarik-menarik jika tanda-tanda muatannya berbeda, dan gaya tolak jika tanda-tandanya sama.

Penting untuk dicatat bahwa agar hukum itu benar, perlu:

1. Muatan titik, yaitu jarak antara benda bermuatan harus jauh lebih besar dari ukurannya. Namun, dapat dibuktikan bahwa gaya interaksi dua muatan yang terdistribusi secara volumetrik dengan distribusi spasial simetris bola yang tidak berpotongan sama dengan gaya interaksi dua muatan titik ekuivalen yang terletak di pusat simetri bola;
2. imobilitas mereka. Jika tidak, efek tambahan berlaku: medan magnet muatan bergerak dan gaya Lorentz tambahan yang sesuai bekerja pada muatan bergerak lainnya;
3. Pengaturan muatan dalam ruang hampa.

Namun, dengan beberapa penyesuaian, hukum juga berlaku untuk interaksi muatan dalam suatu medium dan untuk muatan bergerak.

Dalam bentuk vektor, dalam rumusan S. Coulomb, hukum tersebut ditulis sebagai berikut:

di mana F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12)) adalah gaya yang dengannya muatan 1 bekerja pada muatan 2; q 1 , q 2 (\displaystyle q_(1),q_(2))- besarnya biaya; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- vektor radius (vektor yang diarahkan dari muatan 1 ke muatan 2, dan sama, dalam nilai absolut, dengan jarak antar muatan - r 12 (\displaystyle r_(12))); k (\displaystyle k)- koefisien proporsionalitas.

Koefisien k

Hukum Coulomb dalam mekanika kuantum

Hukum Coulomb dari sudut pandang elektrodinamika kuantum

Cerita

Untuk pertama kalinya menyelidiki secara eksperimental hukum interaksi benda bermuatan listrik disarankan oleh G. V. Richmann pada 1752-1753. Dia bermaksud menggunakan untuk tujuan ini elektrometer "indikator" yang dirancang olehnya. Implementasi rencana ini terhalang oleh kematian tragis Richman.

Kira-kira 11 tahun sebelum Coulomb, pada tahun 1771, hukum interaksi muatan ditemukan secara eksperimental oleh G. Cavendish, tetapi hasilnya tidak dipublikasikan dan tetap tidak diketahui untuk waktu yang lama (lebih dari 100 tahun). Manuskrip Cavendish diserahkan kepada D.C. Maxwell hanya pada tahun 1874 oleh salah satu keturunan Cavendish pada pembukaan Laboratorium Cavendish dan diterbitkan pada tahun 1879.

Coulomb sendiri terlibat dalam studi torsi benang dan menemukan keseimbangan torsi. Dia menemukan hukumnya, menggunakannya untuk mengukur kekuatan interaksi bola bermuatan.

Hukum Coulomb, prinsip superposisi dan persamaan Maxwell

Tingkat akurasi hukum Coulomb

Hukum Coulomb adalah fakta yang ditetapkan secara eksperimental. Validitasnya telah berulang kali dikonfirmasi oleh eksperimen yang semakin akurat. Salah satu arahan dari percobaan tersebut adalah untuk memeriksa apakah eksponennya berbeda r dalam hukum 2. Untuk mencari perbedaan ini, digunakan fakta bahwa jika derajatnya tepat sama dengan dua, maka tidak ada medan di dalam rongga konduktor, apapun bentuk rongga atau konduktor tersebut.

Eksperimen semacam itu pertama kali dilakukan oleh Cavendish dan diulangi oleh Maxwell dalam bentuk yang lebih baik, memperoleh perbedaan eksponen maksimum dalam kekuatan dua nilai 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))

Eksperimen yang dilakukan pada tahun 1971 di Amerika Serikat oleh E. R. Williams, D. E. Voller dan G. A. Hill menunjukkan bahwa eksponen dalam hukum Coulomb adalah 2 hingga dalam (3 , 1 ± 2 , 7) × 10 − 16 (\displaystyle (3,1\pm 2,7)\times 10^(-16)) .

Untuk menguji keakuratan hukum Coulomb pada jarak intraatomik, W. Yu. Lamb dan R. Rutherford pada tahun 1947 menggunakan pengukuran susunan relatif tingkat energi hidrogen. Ditemukan bahwa bahkan pada jarak urutan atom 10 −8 cm, eksponen dalam hukum Coulomb berbeda dari 2 tidak lebih dari 10 −9 .

Koefisien k (\displaystyle k) dalam hukum Coulomb tetap konstan hingga 15⋅10 −6 .

Koreksi terhadap hukum Coulomb dalam elektrodinamika kuantum

Pada jarak pendek (urutan gelombang elektron Compton length  , λ e = ℏ m e c (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3,86⋅10 −13 m , dimana m e (\displaystyle m_(e)) adalah massa elektron, ℏ (\displaystyle \hbar )- Konstanta Planck, c (\displaystyle c)- kecepatan cahaya) efek nonlinear elektrodinamika kuantum menjadi signifikan: pertukaran foton virtual ditumpangkan oleh generasi pasangan elektron-positron virtual (serta muon-antimuon dan taon-antitaon), dan efek penyaringan menurun (lihat renormalisasi). Kedua efek tersebut menyebabkan munculnya istilah urutan yang menurun secara eksponensial e − 2 r / λ e (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e))) dalam ekspresi energi potensial interaksi muatan dan, sebagai akibatnya, peningkatan gaya interaksi dibandingkan dengan yang dihitung oleh hukum Coulomb.

di mana λ e (\displaystyle \lambda _(e))- Compton panjang gelombang elektron, α = e 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- struktur halus konstan dan r ≫ λ e (\displaystyle r\gg \lambda _(e)).

Pada jarak pesanan λ W = ℏ m w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, dimana mw (\displaystyle m_(w)) adalah massa W-boson, efek elektrolemah ikut berperan.

Dalam medan elektromagnetik eksternal yang kuat, yang merupakan fraksi signifikan dari medan tembus vakum (berdasarkan urutan m e c 2 e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m atau m e c e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, bidang seperti itu diamati, misalnya, di dekat beberapa jenis bintang neutron, yaitu magnetar) Hukum Coulomb juga dilanggar karena hamburan Delbrück foton pertukaran pada foton medan eksternal dan efek nonlinier lain yang lebih kompleks. Fenomena ini mengurangi gaya Coulomb tidak hanya dalam skala mikro tetapi juga dalam skala makro, khususnya dalam medan magnet yang kuat, potensi Coulomb tidak berbanding terbalik dengan jarak, tetapi secara eksponensial.

Hukum Coulomb dan polarisasi vakum

Hukum Coulomb dan inti superberat

Arti hukum Coulomb dalam sejarah sains

Hukum Coulomb adalah hukum dasar kuantitatif dan matematis terbuka pertama untuk fenomena elektromagnetik. Dengan ditemukannya hukum Coulomb, ilmu elektromagnetisme modern dimulai.

Lihat juga

Tautan

• Hukum Coulomb (pelajaran video, program kelas 10)

Catatan

1. Sivukhin D. V. Kursus fisika umum. - M.: Fizmatlit; Rumah Penerbitan MIPT, 2004. - Vol.III. Listrik. - S.17. - 656 hal. - ISBN 5-9221-0227-3.
2. Landau L.D., Lifshits EM. Fisika Teoretis: Buku Teks. tunjangan: Untuk universitas. V 10 t. T.2 Teori Medan. - edisi ke-8, stereo. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 hal. -

Dalam elektrostatika, hukum Coulomb adalah salah satu yang fundamental. Ini digunakan dalam fisika untuk menentukan gaya interaksi antara dua muatan titik tetap atau jarak di antara keduanya. Ini adalah hukum alam yang mendasar yang tidak bergantung pada hukum lain. Maka bentuk benda nyata tidak mempengaruhi besarnya gaya. Pada artikel ini, kami akan menjelaskan secara sederhana hukum Coulomb dan penerapannya dalam praktik.

Sejarah penemuan

Sh.O. Coulomb pada tahun 1785 untuk pertama kalinya secara eksperimental membuktikan interaksi yang dijelaskan oleh hukum. Dalam eksperimennya, dia menggunakan neraca torsi khusus. Namun, pada tahun 1773, Cavendish membuktikan, menggunakan contoh kapasitor bola, bahwa tidak ada medan listrik di dalam bola. Ini menunjukkan bahwa gaya elektrostatik berubah tergantung pada jarak antar benda. Lebih tepatnya - kuadrat jarak. Kemudian penelitiannya tidak dipublikasikan. Secara historis, penemuan ini dinamai Coulomb, dan jumlah muatan yang diukur memiliki nama yang mirip.

Susunan kata

Pengertian hukum Coulomb adalah: dalam ruang hampaF interaksi dua benda bermuatan berbanding lurus dengan produk modul mereka dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.

Kedengarannya singkat, tetapi mungkin tidak jelas bagi semua orang. Dengan kata sederhana: Semakin banyak muatan yang dimiliki tubuh dan semakin dekat satu sama lain, semakin besar gayanya.

Dan sebaliknya: Jika Anda menambah jarak antara muatan - gaya akan menjadi lebih kecil.

Rumus aturan Coulomb terlihat seperti ini:

Penunjukan huruf: q - nilai muatan, r - jarak antara keduanya, k - koefisien, tergantung pada sistem satuan yang dipilih.

Nilai muatan q dapat bersyarat positif atau bersyarat negatif. Divisi ini sangat bersyarat. Ketika tubuh bersentuhan, itu dapat ditularkan dari satu ke yang lain. Oleh karena itu, benda yang sama dapat memiliki muatan dengan besaran dan tanda yang berbeda. Muatan titik adalah muatan atau benda yang dimensinya jauh lebih kecil daripada jarak interaksi yang mungkin.

Perlu diperhatikan bahwa lingkungan tempat muatan berada mempengaruhi interaksi F. Karena hampir sama di udara dan di ruang hampa, penemuan Coulomb hanya berlaku untuk media ini, ini adalah salah satu syarat untuk menerapkan rumus jenis ini. Seperti yang telah disebutkan, dalam sistem SI satuan muatan adalah Coulomb, disingkat Cl. Ini mencirikan jumlah listrik per satuan waktu. Ini adalah turunan dari satuan dasar SI.

1 C = 1 A * 1 detik

Perlu dicatat bahwa dimensi 1 C adalah mubazir. Karena fakta bahwa pembawa saling tolak, sulit untuk menyimpannya dalam tubuh kecil, meskipun arus 1A sendiri kecil jika mengalir dalam konduktor. Misalnya, dalam lampu pijar 100 W yang sama, arus 0,5 A mengalir, dan dalam pemanas listrik lebih dari 10 A. Gaya seperti itu (1 C) kira-kira sama dengan gaya yang bekerja pada benda bermassa 1 t dari sisi globe.

Anda mungkin telah memperhatikan bahwa rumusnya hampir sama dengan interaksi gravitasi, hanya jika massa muncul dalam mekanika Newton, maka muatan muncul dalam elektrostatik.

Rumus Coulomb untuk media dielektrik

Koefisien, dengan mempertimbangkan nilai sistem SI, ditentukan dalam N 2 *m 2 /Cl 2. Itu sama dengan:

Di banyak buku teks, koefisien ini dapat ditemukan dalam bentuk pecahan:

Di sini E 0 \u003d 8,85 * 10-12 C2 / N * m2 adalah konstanta listrik. Untuk dielektrik, E ditambahkan - konstanta dielektrik medium, maka hukum Coulomb dapat digunakan untuk menghitung gaya interaksi muatan untuk ruang hampa dan medium.

Mempertimbangkan pengaruh dielektrik, ia memiliki bentuk:

Dari sini kita melihat bahwa pengenalan dielektrik antara benda mengurangi gaya F.

Bagaimana kekuatan diarahkan?

Muatan berinteraksi satu sama lain tergantung pada polaritasnya - muatan yang sama menolak, dan sebaliknya (berlawanan) menarik.

Omong-omong, ini adalah perbedaan utama dari hukum interaksi gravitasi yang serupa, di mana benda selalu menarik. Gaya-gaya yang diarahkan sepanjang garis yang ditarik di antaranya disebut vektor jari-jari. Dalam fisika, ini dilambangkan sebagai r 12 dan sebagai vektor radius dari muatan pertama ke muatan kedua dan sebaliknya. Gaya diarahkan dari pusat muatan ke muatan berlawanan di sepanjang garis ini jika muatannya berlawanan, dan berlawanan arah jika memiliki nama yang sama (dua positif atau dua negatif). Dalam bentuk vektor:

Gaya yang diterapkan pada muatan pertama dari muatan kedua dilambangkan sebagai F 12. Kemudian, dalam bentuk vektor, hukum Coulomb terlihat seperti ini:

Untuk menentukan gaya yang diterapkan pada muatan kedua, sebutan F 21 dan R 21 digunakan.

Jika benda memiliki bentuk yang kompleks dan cukup besar sehingga pada jarak tertentu tidak dapat dianggap sebagai titik, maka benda tersebut dibagi menjadi bagian-bagian kecil dan setiap bagian dianggap sebagai muatan titik. Setelah penjumlahan geometris dari semua vektor yang dihasilkan, diperoleh gaya yang dihasilkan. Atom dan molekul berinteraksi satu sama lain menurut hukum yang sama.

Aplikasi dalam praktek

Karya Coulomb sangat penting dalam elektrostatika, dalam praktiknya, karya Coulomb digunakan dalam sejumlah penemuan dan perangkat. Contoh yang mencolok adalah penangkal petir. Dengan bantuannya, mereka melindungi bangunan dan instalasi listrik dari badai petir, sehingga mencegah kebakaran dan kegagalan peralatan. Saat hujan disertai badai petir, muatan induksi berkekuatan besar muncul di bumi, mereka tertarik ke arah awan. Ternyata medan listrik yang besar muncul di permukaan bumi. Di dekat ujung penangkal petir, ia memiliki nilai yang besar, akibatnya pelepasan korona tersulut dari ujungnya (dari tanah, melalui penangkal petir ke awan). Muatan dari tanah tertarik ke muatan yang berlawanan dari awan, menurut hukum Coulomb. Udara terionisasi, dan kekuatan medan listrik berkurang di dekat ujung penangkal petir. Dengan demikian, muatan tidak menumpuk di gedung, dalam hal ini kemungkinan sambaran petir kecil. Jika terjadi hantaman pada bangunan, maka melalui penangkal petir semua energi akan masuk ke tanah.

Dalam penelitian ilmiah yang serius, konstruksi terbesar abad ke-21 digunakan - akselerator partikel. Di dalamnya, medan listrik bekerja meningkatkan energi partikel. Mempertimbangkan proses-proses ini dari sudut pandang dampak pada muatan titik oleh sekelompok muatan, maka semua hubungan hukum menjadi valid.

Berguna