halaman 56
HUKUM KULON
Hukum dasar elektrostatika. Konsep benda bermuatan titik.
Pengukuran gaya interaksi muatan menggunakan neraca torsi. percobaan Coulomb
Definisi muatan titik
hukum Coulomb. Formulasi dan formula
Kekuatan Liontin
Definisi satuan muatan
Koefisien dalam hukum Coulomb
Perbandingan gaya elektrostatik dan gravitasi dalam atom
Kesetimbangan muatan statis dan arti fisiknya (pada contoh tiga muatan)
Hukum dasar elektrostatika adalah hukum interaksi dua benda bermuatan titik yang tidak bergerak.
Itu didirikan oleh Charles Augustin Coulomb pada tahun 1785 dan menyandang namanya.
Di alam, benda bermuatan titik tidak ada, tetapi jika jarak antara benda berkali-kali lebih besar dari ukurannya, maka baik bentuk maupun ukuran benda bermuatan tidak mempengaruhi interaksi di antara benda tersebut secara signifikan. Dalam kasus saat ini, badan-badan ini dapat dianggap sebagai badan titik.
Kekuatan interaksi benda bermuatan tergantung pada sifat media di antara mereka. Pengalaman menunjukkan bahwa udara memiliki pengaruh yang sangat kecil terhadap kekuatan interaksi ini, dan ternyata hampir sama dengan di ruang hampa.
Pengalaman Coulomb
Hasil pertama pengukuran gaya interaksi muatan diperoleh pada tahun 1785 oleh ilmuwan Prancis Charles Augustin Coulomb
Neraca torsi digunakan untuk mengukur gaya.
Sebuah bola emas kecil, tipis, dan tidak bermuatan di salah satu ujung balok penyekat yang digantungkan pada benang perak elastis diimbangi di ujung lain balok dengan cakram kertas.
Dengan memutar kursi goyang, ia bersentuhan dengan bola bermuatan tak bergerak yang sama, akibatnya muatannya terbagi rata di antara bola.
Diameter bola dipilih jauh lebih kecil daripada jarak di antara mereka untuk menghilangkan efek ukuran dan bentuk benda bermuatan pada hasil pengukuran.
Muatan titik adalah benda bermuatan yang ukurannya jauh lebih kecil daripada jarak aksi yang mungkin terjadi pada benda lain.
Bola yang memiliki muatan yang sama mulai saling tolak, memutar utasnya. Sudut rotasi sebanding dengan gaya yang bekerja pada bola yang bergerak.
Jarak antar bola diukur menggunakan skala kalibrasi khusus.
Dengan melepaskan bola 1 setelah mengukur gaya dan menghubungkannya lagi dengan bola stasioner, Coulomb mengurangi muatan pada bola yang berinteraksi sebesar 2,4,8, dst. satu kali,
Hukum Coulomb:
Gaya interaksi antara dua muatan titik tak bergerak dalam ruang hampa berbanding lurus dengan produk modul muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya, dan diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan.
k adalah koefisien proporsionalitas, tergantung pada pilihan sistem satuan.
Gaya F12 disebut gaya Coulomb
Gaya Coulomb bersifat sentral, yaitu. diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan pusat-pusat muatan.
Dalam SI, satuan muatan bukanlah dasar, melainkan turunan, dan didefinisikan menggunakan Ampere, satuan dasar SI.
Liontin - muatan listrik yang melewati penampang konduktor dengan kekuatan arus 1 A dalam 1 detik
Dalam SI, koefisien proporsionalitas dalam hukum Coulomb untuk ruang hampa adalah:
k = 9*109 Nm2/Cl2
Koefisien sering ditulis sebagai:
e0 \u003d 8,85 * 10-12 C2 / (Nm2) - konstanta listrik
Hukum Coulomb ditulis dalam bentuk:
Jika muatan titik diletakkan dalam medium dengan permitivitas relatif e selain ruang hampa, gaya Coulomb akan berkurang dengan faktor e.
Untuk media apapun kecuali vakum e > 1
Menurut hukum Coulomb, dua muatan titik masing-masing 1 C, pada jarak 1 m dalam ruang hampa, berinteraksi dengan gaya
Dari perkiraan tersebut, terlihat bahwa muatan sebesar 1 Coulomb adalah besaran yang sangat besar.
Dalam praktiknya, mereka menggunakan unit submultiple - μC (10-6), μC (10-3)
1 C berisi 6 * 1018 muatan elektron.
Dengan menggunakan contoh gaya interaksi antara elektron dan proton dalam inti, dapat ditunjukkan bahwa gaya interaksi elektrostatik antar partikel lebih besar daripada gaya gravitasi sekitar 39 kali lipat. Namun, gaya interaksi elektrostatik benda makroskopik (umumnya netral secara elektrik) ditentukan hanya oleh muatan berlebih yang sangat kecil yang terletak di atasnya, dan oleh karena itu tidak besar dibandingkan dengan gaya gravitasi yang bergantung pada massa benda.
Apakah mungkin untuk menyeimbangkan muatan statis?
Pertimbangkan sistem dua muatan titik positif q1 dan q2.
Mari kita cari tahu pada titik mana muatan ketiga harus ditempatkan agar berada dalam kesetimbangan, dan juga tentukan besar dan tanda muatan ini.
Kesetimbangan statis terjadi ketika jumlah geometris (vektor) dari gaya yang bekerja pada benda adalah nol.
Titik di mana gaya yang bekerja pada muatan ketiga q3 dapat saling meniadakan adalah pada garis antara muatan.
Dalam hal ini, muatan q3 bisa positif dan negatif. Dalam kasus pertama, gaya tolak dikompensasi, yang kedua, gaya tarik.
Dengan mempertimbangkan hukum Coulomb, kesetimbangan statis muatan akan terjadi dalam kasus:
Kesetimbangan muatan q3 tidak bergantung pada nilainya atau tanda muatannya.
Ketika muatan q3 berubah, gaya tarik (q3 positif) dan gaya tolak (q3 negatif) berubah secara seimbang
Dengan menyelesaikan persamaan kuadrat untuk x, dapat ditunjukkan bahwa muatan dengan tanda dan besaran berapa pun akan berada dalam kesetimbangan di suatu titik pada jarak x1 dari muatan q1:
Mari kita cari tahu apakah posisi muatan ketiga akan stabil atau tidak stabil.
(Dalam kesetimbangan stabil, benda, yang dikeluarkan dari posisi kesetimbangan, kembali ke sana, dalam kesetimbangan yang tidak stabil, ia menjauh darinya)
Dengan perpindahan horizontal, gaya tolak F31, F32 berubah karena perubahan jarak antara muatan, mengembalikan muatan ke posisi kesetimbangan.
Dengan perpindahan horizontal, kesetimbangan muatan q3 stabil.
Dengan perpindahan vertikal, resultan F31, F32 mendorong keluar q3
Buka halaman:
Muatan dan listrik adalah istilah yang wajib untuk kasus-kasus ketika interaksi benda bermuatan diamati. Kekuatan tolakan dan tarikan tampaknya berasal dari benda bermuatan dan menyebar secara bersamaan ke segala arah, secara bertahap menghilang dari kejauhan. Gaya ini pernah ditemukan oleh naturalis Prancis terkenal Charles Coulomb, dan aturan yang dipatuhi benda bermuatan sejak saat itu disebut Hukum Coulomb.
Liontin Charles
Ilmuwan Prancis lahir di Prancis, tempat ia menerima pendidikan yang sangat baik. Dia secara aktif menerapkan pengetahuan yang diperoleh dalam ilmu teknik dan memberikan kontribusi yang signifikan pada teori mekanisme. Coulomb adalah penulis karya yang mempelajari pengoperasian kincir angin, statistik berbagai struktur, puntiran benang di bawah pengaruh gaya eksternal. Salah satu karya ini membantu menemukan hukum Coulomb-Amonton, yang menjelaskan proses gesekan.
Tetapi Charles Coulomb memberikan kontribusi utama untuk mempelajari listrik statis. Eksperimen yang dilakukan oleh ilmuwan Prancis ini membuatnya memahami salah satu hukum fisika yang paling mendasar. Kepadanya kita berutang pengetahuan kita tentang sifat interaksi benda bermuatan.
Latar Belakang
Gaya tarik dan tolak yang dengannya muatan listrik bekerja satu sama lain diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan benda bermuatan. Saat jarak bertambah, gaya ini melemah. Seabad setelah Isaac Newton menemukan hukum gravitasi universalnya, ilmuwan Prancis C. Coulomb secara eksperimental menyelidiki prinsip interaksi antara benda bermuatan dan membuktikan bahwa sifat gaya semacam itu mirip dengan gaya gravitasi. Selain itu, ternyata, benda yang berinteraksi dalam medan listrik berperilaku sama seperti benda bermassa di medan gravitasi.
perangkat Coulomb
Skema perangkat yang digunakan Charles Coulomb untuk mengukurnya ditunjukkan pada gambar:
Seperti yang Anda lihat, pada dasarnya desain ini tidak berbeda dengan perangkat yang pernah digunakan Cavendish untuk mengukur nilai konstanta gravitasi. Batang isolasi yang digantung pada seutas benang tipis diakhiri dengan bola logam, yang diberi muatan listrik tertentu. Bola logam lain didekati ke bola, dan kemudian, saat mendekati, gaya interaksi diukur dengan tingkat puntiran benang.
percobaan Coulomb
Coulomb menyarankan bahwa Hukum Hooke yang dikenal saat itu dapat diterapkan pada gaya yang memutar benang. Ilmuwan membandingkan perubahan gaya pada jarak yang berbeda dari satu bola ke bola lainnya dan menemukan bahwa gaya interaksi mengubah nilainya secara terbalik dengan kuadrat jarak antar bola. Liontin berhasil mengubah nilai bola bermuatan dari q menjadi q/2, q/4, q/8 dan seterusnya. Dengan setiap perubahan muatan, gaya interaksi secara proporsional mengubah nilainya. Maka, lambat laun, sebuah aturan dirumuskan, yang kemudian disebut "Hukum Coulomb".
Definisi
Secara eksperimental, ilmuwan Prancis membuktikan bahwa gaya yang berinteraksi dengan dua benda bermuatan sebanding dengan produk muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara muatan. Pernyataan ini adalah hukum Coulomb. Dalam bentuk matematis, dapat dinyatakan sebagai berikut:
Dalam ungkapan ini:
- q adalah jumlah muatan;
- d adalah jarak antara benda bermuatan;
- k adalah konstanta listrik.
Nilai konstanta listrik sangat tergantung pada pilihan unit pengukuran. Dalam sistem modern, besarnya muatan listrik diukur dalam coulomb, dan konstanta listrik masing-masing dalam newton × m 2 / coulomb 2.
Pengukuran terbaru menunjukkan bahwa koefisien ini harus memperhitungkan konstanta dielektrik media tempat percobaan dilakukan. Sekarang nilainya ditampilkan sebagai rasio k=k 1 /e, di mana k 1 adalah konstanta listrik yang sudah kita kenal, dan bukan merupakan indikator permitivitas. Dalam kondisi vakum, nilai ini sama dengan satu.
Kesimpulan dari hukum Coulomb
Ilmuwan bereksperimen dengan muatan berbeda, menguji interaksi antara benda dengan muatan berbeda. Tentu saja, dia tidak dapat mengukur muatan listrik di unit mana pun - dia tidak kekurangan pengetahuan atau instrumen yang sesuai. Charles Coulomb mampu memisahkan proyektil dengan menyentuh bola bermuatan yang tidak bermuatan. Jadi dia menerima nilai pecahan dari muatan awal. Sejumlah percobaan telah menunjukkan bahwa muatan listrik dilestarikan, pertukaran berlangsung tanpa menambah atau mengurangi jumlah muatan. Prinsip dasar ini menjadi dasar hukum kekekalan muatan listrik. Saat ini, telah dibuktikan bahwa hukum ini diamati baik dalam mikrokosmos partikel elementer maupun dalam makrokosmos bintang dan galaksi.
Kondisi yang diperlukan untuk pemenuhan hukum Coulomb
Agar hukum dapat dipenuhi dengan lebih akurat, kondisi berikut harus dipenuhi:
- Biaya harus poin. Dengan kata lain, jarak antara benda bermuatan yang diamati harus jauh lebih besar dari ukurannya. Jika benda bermuatan berbentuk bola, maka kita dapat mengasumsikan bahwa semua muatan berada pada titik yang merupakan pusat bola.
- Tubuh yang akan diukur harus diam. Jika tidak, muatan bergerak akan dipengaruhi oleh banyak faktor pihak ketiga, misalnya, gaya Lorentz, yang memberikan akselerasi tambahan pada benda bermuatan. Serta medan magnet dari benda bermuatan yang bergerak.
- Benda yang diamati harus berada dalam ruang hampa untuk menghindari pengaruh aliran massa udara terhadap hasil pengamatan.
Hukum Coulomb dan elektrodinamika kuantum
Dari sudut pandang elektrodinamika kuantum, interaksi benda bermuatan terjadi melalui pertukaran foton virtual. Keberadaan partikel yang tidak teramati dan bermassa nol tetapi muatannya tidak nol secara tidak langsung didukung oleh prinsip ketidakpastian. Menurut prinsip ini, foton virtual dapat muncul di antara momen emisi partikel semacam itu dan penyerapannya. Semakin kecil jarak antar benda, semakin sedikit waktu yang dihabiskan foton untuk melewati jalur tersebut, oleh karena itu, semakin besar energi foton yang dipancarkan. Pada jarak kecil antara muatan yang diamati, prinsip ketidakpastian memungkinkan pertukaran partikel gelombang pendek dan gelombang panjang, dan pada jarak jauh, foton gelombang pendek tidak ikut serta dalam pertukaran.
Apakah ada batasan penerapan hukum Coulomb
Hukum Coulomb sepenuhnya menjelaskan perilaku dua muatan titik dalam ruang hampa. Tetapi ketika berbicara tentang benda nyata, seseorang harus memperhitungkan dimensi volumetrik benda bermuatan dan karakteristik media tempat pengamatan dilakukan. Misalnya, beberapa peneliti telah mengamati bahwa benda yang membawa muatan kecil dan secara paksa dibawa ke medan listrik benda lain dengan muatan besar mulai tertarik ke muatan ini. Dalam hal ini, pernyataan bahwa benda bermuatan serupa saling tolak-menolak gagal, dan penjelasan lain untuk fenomena yang diamati harus dicari. Kemungkinan besar, kita tidak berbicara tentang pelanggaran hukum Coulomb atau prinsip kekekalan muatan listrik - mungkin saja kita mengamati fenomena yang belum sepenuhnya dipelajari sampai akhir, yang dapat dijelaskan oleh sains nanti. .
Pada pelajaran kali ini yang topiknya adalah “Hukum Coulomb”, kita akan membahas tentang hukum Coulomb itu sendiri, tentang apa itu muatan titik, dan untuk mengkonsolidasikan materi kita akan menyelesaikan beberapa soal pada topik ini.
Tema pelajaran: "Hukum Coulomb". Hukum Coulomb secara kuantitatif menggambarkan interaksi muatan titik tetap - yaitu muatan yang berada dalam posisi statis relatif satu sama lain. Interaksi ini disebut elektrostatik atau listrik dan merupakan bagian dari interaksi elektromagnetik.
interaksi elektromagnetik
Tentu saja, jika muatan bergerak, mereka juga berinteraksi. Interaksi ini disebut magnetis dan dijelaskan dalam bagian fisika yang disebut "Magnetisme".
Harus dipahami bahwa "elektrostatis" dan "magnet" adalah model fisik, dan bersama-sama mereka menggambarkan interaksi muatan bergerak dan diam relatif satu sama lain. Dan semuanya itu disebut interaksi elektromagnetik.
Interaksi elektromagnetik adalah salah satu dari empat interaksi mendasar yang ada di alam.
Muatan listrik
Apa itu muatan listrik? Definisi dalam buku teks dan Internet memberi tahu kita bahwa muatan adalah besaran skalar yang mencirikan intensitas interaksi elektromagnetik benda. Artinya, interaksi elektromagnetik adalah interaksi muatan, dan muatan adalah kuantitas yang mencirikan interaksi elektromagnetik. Kedengarannya membingungkan - kedua konsep tersebut didefinisikan satu sama lain. Mari kita cari tahu!
Adanya interaksi elektromagnetik adalah fakta alam, seperti aksioma dalam matematika. Orang-orang memperhatikannya dan belajar mendeskripsikannya. Untuk melakukan ini, mereka memperkenalkan jumlah yang sesuai yang mencirikan fenomena ini (termasuk muatan listrik) dan membangun model matematika (rumus, hukum, dll.) Yang menggambarkan interaksi ini.
hukum Coulomb
Hukum Coulomb terlihat seperti ini:
Gaya interaksi dua muatan listrik titik tetap dalam ruang hampa berbanding lurus dengan produk modulnya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya. Itu diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan, dan merupakan gaya tarik-menarik jika muatannya berlawanan, dan gaya tolak jika muatannya memiliki nama yang sama.
Koefisien k dalam hukum Coulomb secara numerik sama dengan:
Analogi dengan interaksi gravitasi
Hukum gravitasi universal mengatakan: semua benda bermassa tertarik satu sama lain. Interaksi ini disebut gravitasi. Misalnya, gaya gravitasi yang membuat kita tertarik ke Bumi adalah kasus khusus dari interaksi gravitasi. Bagaimanapun, kita dan Bumi memiliki massa. Gaya interaksi gravitasi berbanding lurus dengan produk massa benda yang berinteraksi dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.
Koefisien γ disebut konstanta gravitasi.
Secara numerik sama dengan: 
.
Seperti yang Anda lihat, bentuk ekspresi yang menggambarkan interaksi gravitasi dan elektrostatis secara kuantitatif sangat mirip.
Di pembilang kedua ekspresi - hasil kali satuan yang mencirikan jenis interaksi ini. Untuk gravitasi - ini adalah massa, untuk muatan elektromagnetik. Dalam penyebut kedua ekspresi - kuadrat jarak antara objek interaksi.
Hubungan terbalik dengan kuadrat jarak sering ditemukan dalam banyak hukum fisika. Ini memungkinkan kita untuk berbicara tentang pola umum yang menghubungkan besarnya efek dengan kuadrat jarak antara objek interaksi.
Proporsionalitas ini berlaku untuk interaksi gravitasi, listrik, magnet, kekuatan suara, cahaya, radiasi, dll.
Ini dijelaskan oleh fakta bahwa luas permukaan bidang perambatan efek meningkat sebanding dengan kuadrat jari-jari (lihat Gambar 1).
Beras. 1. Menambah luas permukaan bola
Akan terlihat alami jika Anda ingat bahwa luas bola sebanding dengan kuadrat jari-jarinya:
Secara fisik, ini berarti bahwa gaya interaksi dua muatan titik tetap 1 C, yang terletak pada jarak 1 m dari satu sama lain dalam ruang hampa, akan sama dengan 9·10 9 N (lihat Gambar 2).
Beras. 2. Gaya interaksi dua muatan titik dalam 1 C
Tampaknya kekuatan ini sangat besar. Tetapi harus dipahami bahwa keteraturannya dikaitkan dengan karakteristik lain - nilai muatan 1 C. Dalam praktiknya, benda bermuatan yang berinteraksi dengan kita dalam kehidupan sehari-hari memiliki muatan dalam urutan mikro atau bahkan nanocoulomb.
Koefisiendan konstanta listrik
Kadang-kadang, alih-alih koefisien, konstanta lain digunakan yang mencirikan interaksi elektrostatik, yang disebut "konstanta listrik". Dia ditunjuk. Hal ini terkait dengan koefisien sebagai berikut:
Dengan melakukan transformasi matematika sederhana, Anda dapat menyatakan dan menghitungnya:
Kedua konstanta tersebut, tentu saja, ada di tabel buku soal. Hukum Coulomb kemudian mengambil bentuk berikut:
Mari perhatikan beberapa poin halus.
Penting untuk dipahami bahwa kita berbicara tentang interaksi. Artinya, jika kita mengambil dua muatan, maka masing-masing muatan akan bekerja pada muatan lainnya dengan gaya yang sama dalam modulusnya. Gaya-gaya ini akan diarahkan berlawanan arah di sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan titik.
Muatan akan menolak jika memiliki tanda yang sama (keduanya positif atau keduanya negatif (lihat Gambar 3)), dan menarik jika memiliki tanda yang berbeda (satu negatif, yang lain positif (lihat Gambar 4)).
Beras. 3. Interaksi muatan sejenis
Beras. 4. Interaksi muatan yang tidak sama
muatan titik
Istilah "muatan titik" hadir dalam perumusan hukum Coulomb. Apa artinya ini? Pertimbangkan mekanik. Menyelidiki, misalnya, pergerakan kereta api antar kota, kami mengabaikan dimensinya. Lagi pula, ukuran kereta ratusan atau ribuan kali lebih kecil dari jarak antar kota (lihat Gambar 5). Dalam masalah seperti itu, kami mempertimbangkan kereta "titik material" - benda, yang dimensinya, dalam rangka memecahkan masalah tertentu, dapat kita abaikan.
Beras. 5. Dalam hal ini, kami mengabaikan dimensi kereta
Jadi begini muatan titik adalah titik material yang memiliki muatan. Dalam praktiknya, dengan menggunakan hukum Coulomb, kami mengabaikan ukuran benda bermuatan dibandingkan dengan jarak di antara keduanya. Jika dimensi benda bermuatan sebanding dengan jarak di antara mereka, maka karena redistribusi muatan di dalam benda, interaksi elektrostatik akan menjadi lebih kompleks.
Di simpul segi enam biasa dengan sisi, muatan ditempatkan satu demi satu. Temukan gaya yang bekerja pada muatan yang terletak di tengah segi enam (lihat Gambar 6).
Beras. 6. Menggambar kondisi soal 1
Mari beralasan: muatan yang terletak di tengah segi enam akan berinteraksi dengan masing-masing muatan yang terletak di simpul segi enam. Bergantung pada tandanya, ini akan menjadi gaya tarik atau gaya tolak. Dengan muatan 1, 2, dan 3 positif, muatan di pusat akan mengalami tolakan elektrostatik (lihat Gambar 7).
Beras. 7. Tolakan elektrostatik
Dan dengan muatan 4, 5, dan 6 (negatif), muatan di pusat akan memiliki gaya tarik elektrostatik (lihat Gambar 8).
Beras. 8. Daya tarik elektrostatis
Gaya total yang bekerja pada muatan yang terletak di tengah segi enam akan menjadi resultan gaya ,,,, dan, modulus masing-masing dapat ditemukan menggunakan hukum Coulomb. Mari kita mulai memecahkan masalah.
Larutan
Gaya interaksi muatan, yang terletak di tengah, dengan masing-masing muatan di simpul bergantung pada modul muatan itu sendiri dan jarak di antara keduanya. Jarak dari simpul ke pusat segi enam biasa adalah sama, modul muatan yang berinteraksi dalam kasus kami juga sama (lihat Gambar 9).
Beras. 9. Jarak dari simpul ke pusat dalam segi enam beraturan adalah sama
Ini berarti bahwa semua gaya interaksi muatan di tengah segi enam dengan muatan di simpul akan sama dalam nilai absolut. Menggunakan hukum Coulomb, kita dapat menemukan modul ini:
Jarak dari pusat ke titik puncak dalam segi enam beraturan sama dengan panjang sisi segi enam beraturan, yang kita ketahui dari kondisi, oleh karena itu:
Sekarang kita perlu menemukan jumlah vektor - untuk ini kita memilih sistem koordinat: sumbu sepanjang gaya, dan sumbu tegak lurus (lihat Gambar 10).
Beras. 10. Pemilihan sumbu
Mari kita temukan proyeksi total pada sumbu - kita cukup menunjukkan modul masing-masing sumbu.
Karena gaya dan diarahkan bersama dengan sumbu, tetapi membentuk sudut terhadap sumbu (lihat Gambar 11).
Mari lakukan hal yang sama untuk sumbu:
Tanda "-" - karena gaya dan diarahkan berlawanan arah dengan sumbu. Artinya, proyeksi gaya total pada sumbu yang telah kita pilih akan sama dengan 0. Ternyata gaya total hanya akan bekerja di sepanjang sumbu, tinggal mengganti di sini hanya ekspresi modulus interaksi memaksa dan dan mendapatkan jawabannya. Total kekuatan akan sama dengan:
Masalah terpecahkan.
Poin halus lainnya adalah ini: Hukum Coulomb mengatakan bahwa muatan berada dalam ruang hampa (lihat Gambar 12).
Beras. 12. Interaksi muatan dalam ruang hampa
Ini adalah catatan yang sangat penting. Karena dalam medium selain vakum, kekuatan interaksi elektrostatis akan melemah (lihat Gambar 13).
Beras. 13. Interaksi muatan dalam media selain ruang hampa
Untuk memperhitungkan faktor ini, nilai khusus dimasukkan ke dalam model elektrostatika, yang memungkinkan dilakukannya "koreksi untuk medium". Ini disebut konstanta dielektrik medium. Itu dilambangkan, seperti konstanta listrik, dengan huruf Yunani "epsilon", tetapi tanpa indeks.
Arti fisik dari kuantitas ini adalah sebagai berikut.
Gaya interaksi elektrostatik dari dua muatan titik tetap dalam media selain ruang hampa akan ε kali lebih kecil dari gaya interaksi muatan yang sama pada jarak yang sama dalam ruang hampa.
Jadi, dalam media selain vakum, gaya interaksi elektrostatik muatan stasioner dua titik akan sama dengan:
Nilai permitivitas berbagai zat telah lama ditemukan dan dikumpulkan dalam tabel khusus (lihat Gambar 14).
Beras. 14. Konstanta dielektrik beberapa zat
Kita dapat dengan bebas menggunakan nilai tabel permitivitas zat yang kita butuhkan dalam menyelesaikan soal.
Penting untuk dipahami bahwa saat memecahkan masalah, gaya interaksi elektrostatis dipertimbangkan dan dijelaskan dalam persamaan dinamika sebagai gaya biasa. Mari selesaikan masalahnya.
Dua bola bermuatan identik digantung dalam media dengan konstanta dielektrik pada benang dengan panjang yang sama, dipasang pada satu titik. Tentukan modulus muatan bola jika utasnya tegak lurus satu sama lain (lihat Gambar 15). Ukuran bola dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak di antara mereka. Massa bola adalah sama.
Beras. 15. Menggambar kondisi soal 2
Mari beralasan: tiga gaya akan bekerja pada masing-masing bola - gravitasi; gaya interaksi elektrostatik dan gaya tarik benang (lihat Gbr. 16).
Beras. 16. Gaya yang bekerja pada bola
Dengan syarat, bola-bola itu sama, yaitu muatannya sama baik dalam besaran maupun tandanya, yang berarti bahwa gaya interaksi elektrostatik dalam hal ini adalah gaya tolak (pada Gambar 16, gaya interaksi elektrostatik diarahkan dalam arah yang berbeda). Karena sistem berada dalam kesetimbangan, kita akan menggunakan hukum pertama Newton:
Karena kondisi mengatakan bahwa bola ditangguhkan dalam media dengan konstanta dielektrik, dan ukuran bola dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak di antara mereka, maka, sesuai dengan hukum Coulomb, gaya tolak bola akan sama. ke:
Larutan
Mari tulis hukum pertama Newton dalam proyeksi pada sumbu koordinat. Kami mengarahkan sumbu secara horizontal, dan sumbu secara vertikal (lihat Gambar 17).
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.
Konsep listrik. Elektrifikasi. Konduktor, semikonduktor dan dielektrik. Muatan dasar dan sifat-sifatnya. hukum Coulomb. Kekuatan medan listrik. Prinsip superposisi. Medan listrik sebagai wujud interaksi. Medan listrik dari dipol elementer.
Istilah listrik berasal dari kata Yunani electron (amber).
Elektrisasi adalah proses memberikan energi listrik ke tubuh.
mengenakan biaya. Istilah ini diperkenalkan pada abad ke-16 oleh ilmuwan dan dokter Inggris Gilbert.
BIAYA LISTRIK ADALAH NILAI SKALA FISIK YANG MENCARI SIFAT BADAN ATAU PARTIKEL UNTUK MEMASUKI DAN INTERAKSI ELEKTROMAGNETIK SERTA MENENTUKAN GAYA DAN ENERGI DARI INTERAKSI TERSEBUT.
Sifat muatan listrik:
1. Di alam, ada dua jenis muatan listrik. Positif (muncul pada kaca yang digosokkan pada kulit) dan negatif (muncul pada ebonit yang digosokkan pada bulu).
2. Tuduhan dengan nama yang sama menolak, berbeda dengan muatan menarik.
3. Muatan listrik TIDAK ADA TANPA PARTIKEL PEMBAWA MUATAN (elektron, proton, positron, dll.) Misalnya, e / muatan tidak dapat dihilangkan dari elektron dan partikel bermuatan elementer lainnya.
4. Muatan listrik bersifat diskrit, yaitu muatan benda apa pun adalah kelipatan bilangan bulat muatan listrik dasar e(e = 1,6 10 -19 C). elektron (mis.= 9,11 10 -31 kg) dan proton (t p = 1,67 10 -27 kg) masing-masing adalah pembawa muatan elementer negatif dan positif (Partikel dengan muatan listrik fraksional diketahui: – 1/3 e dan 2/3 e - ini quark dan antiquark , tetapi mereka tidak ditemukan dalam keadaan bebas).
5. Muatan listrik - besarnya relativistik invarian , itu. tidak bergantung pada kerangka acuan, dan karena itu tidak bergantung pada apakah muatan ini bergerak atau diam.
6. Dari generalisasi data percobaan, hukum alam yang mendasar - hukum kekekalan muatan: penjumlahan aljabar
ma muatan listrik dari setiap sistem tertutup(sistem yang tidak bertukar muatan dengan badan eksternal) tetap tidak berubah, tidak peduli proses apa yang terjadi dalam sistem ini.
Hukum tersebut dikonfirmasi secara eksperimental pada tahun 1843 oleh seorang fisikawan Inggris
M. Faraday ( 1791-1867) dan lain-lain, dikonfirmasi dengan kelahiran dan penghancuran partikel dan antipartikel.
Satuan muatan listrik (satuan turunan, karena ditentukan melalui satuan kekuatan arus) - liontin (C): 1 C - muatan listrik,
melewati penampang konduktor dengan kekuatan arus 1 A untuk waktu 1 detik.
Semua benda di alam mampu dialiri arus listrik; memperoleh muatan listrik. Elektrifikasi benda dapat dilakukan dengan berbagai cara: melalui kontak (gesekan), induksi elektrostatis
dll. Setiap proses pengisian direduksi menjadi pemisahan muatan, di mana kelebihan muatan positif muncul di salah satu benda (atau bagian tubuh), dan kelebihan muatan negatif muncul di bagian lain (atau bagian lain). dari tubuh). Jumlah total muatan dari kedua tanda yang terkandung dalam benda tidak berubah: muatan ini hanya didistribusikan kembali di antara benda.
Elektrifikasi benda dimungkinkan karena benda terdiri dari partikel bermuatan. Dalam proses elektrifikasi benda, elektron dan ion yang berada dalam keadaan bebas dapat bergerak. Proton tetap berada di inti.
Bergantung pada konsentrasi muatan bebas, benda dibagi menjadi konduktor, dielektrik dan semikonduktor.
konduktor- benda di mana muatan listrik dapat dicampur di seluruh volumenya. Konduktor dibagi menjadi dua kelompok:
1) konduktor jenis pertama (logam) - transfer ke
muatan (elektron bebas) tidak disertai dengan bahan kimia
transformasi;
2) konduktor jenis kedua (misalnya, garam cair,
rentang asam) - transfer muatan di dalamnya (positif dan negatif
ion) menyebabkan perubahan kimia.
Dielektrik(misalnya, kaca, plastik) - benda yang praktis tidak memiliki muatan gratis.
Semikonduktor (misalnya germanium, silikon) menempati
posisi tengah antara konduktor dan dielektrik. Pembagian benda ini sangat sewenang-wenang, tetapi perbedaan besar dalam konsentrasi muatan bebas di dalamnya menyebabkan perbedaan kualitatif yang sangat besar dalam perilakunya dan oleh karena itu membenarkan pembagian benda menjadi konduktor, dielektrik, dan semikonduktor.
ELEKTROSTATIKA- ilmu muatan tetap
hukum Coulomb.
Hukum interaksi titik pasti muatan listrik
Dipasang secara eksperimental pada tahun 1785 oleh Sh.Coulumb menggunakan timbangan torsi.
mirip dengan yang digunakan oleh G. Cavendish untuk menentukan konstanta gravitasi (hukum ini sebelumnya ditemukan oleh G. Cavendish, tetapi karyanya tetap tidak diketahui selama lebih dari 100 tahun).
muatan titik, disebut benda atau partikel bermuatan, yang ukurannya dapat diabaikan, dibandingkan dengan jaraknya.
Hukum Coulomb: gaya interaksi antara dua muatan titik tetap yang terletak dalam ruang hampa sebanding dengan biaya q 1 dan q2, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak r antara keduanya :
k - faktor proporsionalitas tergantung pada pilihan sistem
dalam SI 
Nilai ε 0 ditelepon konstanta listrik; itu mengacu pada
nomor konstanta fisik dasar dan sama dengan:
ε 0 = 8,85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2
Dalam bentuk vektor, hukum Coulomb dalam ruang hampa berbentuk:
di mana adalah vektor jari-jari yang menghubungkan muatan kedua dengan muatan pertama, F 12 adalah gaya yang bekerja dari muatan kedua pada muatan pertama.
Keakuratan penerapan hukum Coulomb pada jarak yang jauh, hingga
10 7 m, ditetapkan selama studi medan magnet menggunakan satelit
di ruang dekat Bumi. Keakuratan implementasinya pada jarak pendek, hingga 10 -17 m, diverifikasi oleh eksperimen pada interaksi partikel elementer.
hukum Coulomb di lingkungan
Di semua media, gaya interaksi Coulomb lebih kecil daripada gaya interaksi di ruang hampa atau udara. Kuantitas fisik yang menunjukkan berapa kali gaya interaksi elektrostatik dalam ruang hampa lebih besar daripada di media tertentu, disebut permitivitas media dan dilambangkan dengan huruf ε.
ε = F dalam ruang hampa / F dalam medium
Hukum Coulomb dalam bentuk umum dalam SI:
Sifat-sifat gaya Coulomb.
1. Gaya Coulomb adalah gaya tipe sentral, karena diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan
Gaya Coulomb adalah gaya tarik menarik jika tanda muatannya berbeda dan gaya tolak menolak jika tanda muatannya sama.
3. Untuk gaya Coulomb, hukum ke-3 Newton berlaku
4. Pasukan Coulomb mematuhi prinsip kemerdekaan atau superposisi, karena gaya interaksi antara dua muatan titik tidak akan berubah ketika muatan lain muncul berdekatan. Gaya yang dihasilkan dari interaksi elektrostatik yang bekerja pada muatan tertentu sama dengan jumlah vektor gaya interaksi muatan tertentu dengan masing-masing muatan sistem secara terpisah.
F= F 12 + F 13 + F 14 + ∙∙∙ + F 1 N
Interaksi antar muatan dilakukan melalui medan listrik. Medan listrik adalah bentuk khusus dari keberadaan materi, yang melaluinya interaksi muatan listrik dilakukan. Medan listrik memanifestasikan dirinya dengan fakta bahwa ia bekerja dengan gaya pada muatan lain yang dimasukkan ke dalam medan ini. Medan elektrostatik diciptakan oleh muatan listrik stasioner dan merambat di ruang angkasa dengan kecepatan terbatas c.
Karakteristik daya medan listrik disebut kekuatan.
ketegangan listrik di beberapa titik disebut besaran fisik yang sama dengan rasio gaya yang dengannya medan bekerja pada muatan uji positif yang ditempatkan pada titik tertentu terhadap modulus muatan ini.
Kekuatan medan muatan titik q:
Prinsip superposisi: kekuatan medan listrik yang diciptakan oleh sistem muatan pada titik tertentu di ruang angkasa sama dengan jumlah vektor kekuatan medan listrik yang diciptakan pada titik ini oleh setiap muatan secara terpisah (tanpa adanya muatan lain).
