III. Elektrodinamiğin temelleri

Konu 1.1 ELEKTRİK ÜCRETLERİ.

Bölüm 1 ELEKTRODİNAMİĞİN TEMELLERİ

1. Bedenlerin elektrifikasyonu. Yük büyüklüğü kavramı.

Yükün korunumu kanunu.

2. Yükler arasındaki etkileşim kuvvetleri.

Coulomb yasası.

3. Ortamın dielektrik sabiti.

4. Elektrikte uluslararası birim sistemi.

1. Bedenlerin elektrifikasyonu. Yük büyüklüğü kavramı.

Yükün korunumu kanunu.

İki yüzey yakın temasa getirilirse mevcut elektron transferi bir yüzeyden diğerine geçer ve bu yüzeylerde elektrik yükleri belirir.

Bu olaya ELEKTRİZASYON denir. Sürtünme sırasında yüzeylerin yakın temas alanı artar ve yüzeydeki yük miktarı da artar - bu olaya SÜRTÜNMEYLE ELEKTRİKASYON denir.

Elektrifikasyon işlemi sırasında, yüklerin yeniden dağılımı meydana gelir ve bunun sonucunda her iki yüzey de eşit büyüklükte ve zıt işaretli yüklerle yüklenir.

Çünkü tüm elektronlar aynı yüke (negatif) sahiptir e = 1,6 10 C, bu durumda yüzeydeki yük miktarını (q) belirlemek için yüzeyde (N) kaç elektronun fazla veya eksik olduğunu bilmek gerekir. ve bir elektronun yükü.

Elektrifikasyon işlemi sırasında yeni yükler ortaya çıkmaz veya kaybolmaz, yalnızca ortaya çıkar. yeniden dağıtım cisimler veya bir bedenin parçaları arasında, bu nedenle kapalı bir cisimler sisteminin toplam yükü sabit kalır, bu, YÜKÜN KORUNUMU YASASI'nın anlamıdır.

2. Yükler arasındaki etkileşim kuvvetleri.

Coulomb yasası.

Elektrik yükleri belli bir mesafedeyken birbirleriyle etkileşir, benzer yükler birbirini iter, farklı yükler ise çeker.

İlk kez öğrendim Tecrübeli Yükler arasındaki etkileşimin kuvveti nasıl değişir? Fransız bilim adamı Coulomb, Coulomb yasası adı verilen bir yasayı türetti. Temel hukuk yani deneyime dayanmaktadır. Coulomb bu yasayı çıkarırken burulma dengelerini kullandı.

3) k – çevreye bağımlılığı ifade eden katsayı.

Coulomb yasasının formülü.

İki sabit nokta yük arasındaki etkileşimin kuvveti, bu yüklerin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafelerin karesi ile ters orantılıdır ve bu yüklerin bulunduğu ortama bağlıdır ve doğrultu boyunca yönlendirilir. Bu yüklerin merkezlerini birleştiren düz çizgi.

3. Ortamın dielektrik sabiti.

E, çevredeki ortam yüklerine bağlı olarak ortamın dielektrik sabitidir.

E = 8,85*10 - fiziksel sabit, vakumun dielektrik sabiti.

E – ortamın bağıl dielektrik sabiti, bir boşluktaki nokta yükler arasındaki etkileşim kuvvetinin belirli bir ortama göre kaç kat daha büyük olduğunu gösterir. Boşlukta yükler arasındaki etkileşim en güçlüdür.

4. Elektrikte uluslararası birim sistemi.

SI sisteminde elektriğin temel birimi 1A'daki akımdır, diğer tüm ölçü birimleri 1Amper'den türetilir.

1C, yüklü parçacıklar tarafından bir iletkenin kesiti boyunca 1 saniyede 1A akımda aktarılan elektrik yükü miktarıdır.

q=N;

Konu 1.2 ELEKTRİK ALANI

1. Elektrik alanı – özel bir madde türü olarak.

6. Potansiyel fark ile elektrik alan kuvveti arasındaki ilişki.

1. Elektrik alanı özel bir madde türü gibidir.

Doğada bir madde türü olarak elektromanyetik alan mevcuttur. Farklı durumlarda, elektromanyetik alan kendini farklı şekillerde gösterir; örneğin, sabit yüklerin yakınında yalnızca elektrostatik adı verilen bir elektrik alanı kendini gösterir. Birlikte ELEKTROMANYETİK ALANLARI temsil eden, hareketli yüklerin yakınında hem elektrik hem de manyetik alanlar tespit edilebilir.

Elektrostatik alanların özelliklerini ele alalım:

1) Elektrostatik alan sabit yükler tarafından oluşturulur; bu tür alanlar tespit edilebilir;

test yükleri (küçük pozitif yük) kullanarak, çünkü yalnızca onların üzerinde elektrik alanı Coulomb yasasına uyan bir kuvvet etkisine sahiptir.

2. Elektrik alan kuvveti.

Elektrik alanı, enerjiye, kütleye sahip, uzayda sonlu bir hızla yayılan ve teorik sınırları olmayan bir madde türüdür.

Uygulamada test ücretleri üzerinde gözle görülür bir etki yaratmıyorsa alanın olmadığı kabul edilir.

Alan, test yükleri üzerindeki kuvvet kullanılarak tespit edilebildiğinden, elektrik alanının temel özelliği tansiyon.

Elektrik alanın aynı noktasına farklı büyüklükteki test yükleri uygulanırsa, etki eden kuvvet ile test yükünün değeri arasında doğru orantılı bir ilişki vardır.

Etki eden kuvvet ile yükün büyüklüğü arasındaki orantı katsayısı E gerilimidir.

E = elektrik alan kuvvetini hesaplamak için formül, eğer q = 1 C ise, o zaman | E | = | F |

Gerilme, elektrik alan noktalarının kuvvet özelliğidir, çünkü elektrik alanında belirli bir noktada 1 C'lik bir yüke etki eden kuvvete sayısal olarak eşittir.

Gerilim bir vektör miktarıdır; yöndeki gerilim vektörü, elektrik alanında belirli bir noktada pozitif yüke etki eden kuvvetin vektörüyle çakışır.

3. Elektrik alan şiddeti çizgileri. Düzgün elektrik alanı.

Elektrik alanını açıkça tasvir etmek için, yani. grafiksel olarak elektrik alan şiddeti çizgilerini kullanın. Bunlar, kuvvet çizgileri olarak da adlandırılan çizgilerdir; bu çizgilerin içinden geçtiği elektrik alanı noktalarındaki yoğunluk vektörleriyle yön olarak çakışan teğetlerdir.

Germe hatları aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1) Pozisyonda başlayın. suçlamalar negatifte biter veya pozitifte başlar. yükler ve sonsuza giderler veya sonsuzluktan gelirler ve pozitif yüklerle biterler.

2) Bu çizgiler süreklidir ve hiçbir yerde kesişmez.

3) Hatların yoğunluğu (birim yüzey alanı başına düşen hat sayısı) ile elektrik alan şiddeti doğrudan ve orantılı bir bağımlılık içindedir.

Düzgün bir elektrik alanında, alanın tüm noktalarındaki yoğunluk aynıdır; bu tür alanlar, birbirinden eşit uzaklıktaki paralel çizgilerle temsil edilir. Böyle bir alan, birbirinden küçük bir mesafede iki paralel düz yüklü plaka arasında elde edilebilir.

4. Bir elektrik alanında bir yükün hareket ettirilmesi üzerinde çalışın.

Düzgün bir elektrik alanına bir elektrik yükü yerleştirelim. Kuvvetler sahadan gelen hücuma göre hareket edecek. Bir yük hareket ettirilirse iş yapılabilir.

Şu alanlarda mükemmel çalışma:

A = q E d - bir elektrik alanında bir yükü hareket ettirme işini hesaplamak için formül.

Sonuç: Bir elektrik alanında bir yükü hareket ettirme işi, yörüngenin şekline bağlı değildir, ancak hareket eden yükün büyüklüğüne (q), alan kuvvetine (E) ve ayrıca kullanılan yükün seçimine bağlıdır. Hareketin başlangıç ​​ve bitiş noktaları (d).

Bir elektrik alanındaki yük kapalı bir devre boyunca hareket ettirilirse yapılan iş 0'a eşit olacaktır. Bu tür alanlara potansiyel alanlar denir. Bu tür alanlardaki cisimler potansiyel enerjiye sahiptir; Elektrik alanının herhangi bir noktasındaki bir elektrik yükü enerjiye sahiptir ve elektrik alanında yapılan iş, yükün hareketin başlangıç ​​ve son noktalarındaki potansiyel enerjileri farkına eşittir.

5. Potansiyel. Potansiyel fark. Gerilim.

Elektrik alanında belirli bir noktaya farklı boyutlarda yükler yerleştirilirse, yükün potansiyel enerjisi ile büyüklüğü doğru orantılıdır.

-(phi) bir elektrik alanı noktasının potansiyeli

hadi kabul edelim

Potansiyel, elektrik alan noktalarının enerji özelliğidir, çünkü elektrik alanında belirli bir noktada 1 C'lik bir yükün potansiyel enerjisine sayısal olarak eşittir.

Bir noktasal yükten eşit uzaklıkta, alan noktalarının potansiyelleri aynıdır. Bu noktalar eşit potansiyele sahip bir yüzey oluşturur ve bu tür yüzeylere eş potansiyel yüzeyler adı verilir. Düzlemde bunlar daire, uzayda ise küredir.

Gerilim

Bir elektrik alanında bir yükü hareket ettirme işini hesaplamak için formüller.

1V – 1 C'lik bir yükü hareket ettirirken elektrik alanı noktaları arasındaki voltaj, 1 J'lik bir iş gerçekleştirilir.

- elektrik alan kuvveti, voltaj ve potansiyel fark arasındaki ilişkiyi kuran bir formül.

Yoğunluk, 1 m mesafedeki bir alan çizgisi boyunca alınan iki alan noktası arasındaki voltaj veya potansiyel farkına sayısal olarak eşittir. (-) işareti, gerilim vektörünün daima azalan potansiyele sahip alan noktalarına doğru yönlendirildiği anlamına gelir.

Coulomb yasası noktasal elektrik yükleri arasındaki etkileşim kuvvetlerini tanımlayan bir yasadır.

Bir boşluktaki iki nokta yük arasındaki etkileşim kuvvetinin modülü, bu yüklerin modüllerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.

Aksi halde: İki noktalı ücretler vakum Bu yüklerin modüllerinin çarpımı ile orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı ve bu yükleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilen kuvvetlerle birbirlerine etki ederler. Bu kuvvetlere elektrostatik (Coulomb) denir.

Yasanın doğru olabilmesi için aşağıdakilerin gerekli olduğuna dikkat etmek önemlidir:

nokta benzeri yükler - yani yüklü cisimler arasındaki mesafe boyutlarından çok daha büyüktür - ancak hacimsel olarak dağıtılmış iki yükün küresel simetrik kesişmeyen uzaysal dağılımlarla etkileşim kuvvetinin kuvvetine eşit olduğu kanıtlanabilir. küresel simetri merkezlerinde bulunan iki eşdeğer nokta yükün etkileşimi;

onların hareketsizliği. Aksi takdirde ek etkiler geçerli olur: manyetik alan hareketli yük ve karşılık gelen ek Lorentz kuvveti, başka bir hareketli yüke etki eden;

etkileşim vakum.

Ancak kanun bazı düzenlemelerle yüklerin ortamdaki etkileşimleri ve hareketli yükler için de geçerlidir.

C. Coulomb'un formülasyonunda vektör formunda yasa şu şekilde yazılmıştır:

yük 1'in yük 2'ye etki ettiği kuvvet nerede; - ücretlerin büyüklüğü; - yarıçap vektörü (yük 1'den yük 2'ye yönlendirilen ve mutlak değer olarak yükler arasındaki mesafeye eşit olan vektör -); - orantılılık katsayısı. Dolayısıyla yasa, benzer yüklerin birbirini ittiğini (ve farklı yüklerin çektiğini) belirtir.

İÇİNDE SSSE birim yük katsayısı öyle bir şekilde seçilir ki k bire eşittir.

İÇİNDE Uluslararası Birim Sistemi (SI) temel birimlerden biri birimdir elektrik akımı gücü amper ve ücret birimi kolye- onun bir türevi. Amper değeri şu şekilde tanımlanır: k= c 2 10 −7 Gn/m = 8,9875517873681764 10 9 N m2 / Cl 2 (veya Ф −1 m). SI katsayısı kşu şekilde yazılır:

burada ≈ 8,854187817·10 −12 F/m - elektriksel sabit.

1785 yılında Fransız fizikçi Charles Auguste Coulomb deneysel olarak elektrostatiğin temel yasasını (iki sabit nokta yüklü cisim veya parçacığın etkileşim yasası) oluşturdu.

Sabit elektrik yüklerinin etkileşimi yasası - Coulomb yasası - temel (temel) bir fiziksel yasadır. Doğanın başka hiçbir kanunundan kaynaklanmaz.

Yük modüllerini |q 1 | ve |q 2 | ise Coulomb yasası aşağıdaki biçimde yazılabilir:

burada k, değeri elektrik yükü birimlerinin seçimine bağlı olan bir orantı katsayısıdır. SI sisteminde N m 2 / C 2, burada ε 0, 8,85 10 -12 C 2 / N m 2'ye eşit elektrik sabitidir

Kanun beyanı:

Bir boşluktaki iki sabit yüklü cisim arasındaki etkileşim kuvveti, yük modüllerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.

Bu formülasyondaki Coulomb yasası yalnızca nokta yüklü cisimler için geçerlidir, çünkü yalnızca onlar için yükler arasındaki mesafe kavramının belirli bir anlamı vardır. Doğada nokta yüklü cisimler yoktur. Ancak cisimler arasındaki mesafe boyutlarından kat kat fazlaysa, o zaman yüklü cisimlerin ne şekli ne de boyutu, deneyimin gösterdiği gibi, aralarındaki etkileşimi önemli ölçüde etkilemez. Bu durumda cisimler nokta cisimler olarak düşünülebilir.

İpliklerin üzerinde asılı duran iki yüklü topun ya birbirini çektiğini ya da ittiğini bulmak kolaydır. Buradan, iki sabit nokta yüklü cisim arasındaki etkileşim kuvvetlerinin, bu cisimleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirildiği sonucu çıkar.

Bu tür kuvvetlere merkezi denir. Birinci yüke ikincinin yanından etki eden kuvveti ve ikinci yüke birincinin yanından etki eden kuvveti belirtirsek (Şekil 1), o zaman Newton'un üçüncü yasasına göre, . İkinci yükten birinciye çizilen yarıçap vektörünü gösterelim (Şekil 2), o zaman

Eğer q1 ve q2 yüklerinin işaretleri aynıysa, kuvvetin yönü vektörün yönüyle çakışır; aksi takdirde ve vektörleri zıt yönlere yönlendirilir.

Nokta yüklü cisimlerin etkileşim yasasını bilerek, herhangi bir yüklü cismin etkileşim kuvvetini hesaplayabiliriz. Bunu yapmak için bedenlerin zihinsel olarak o kadar küçük parçalara bölünmesi gerekir ki, her biri bir nokta olarak kabul edilebilir. Tüm bu elemanların birbirleriyle etkileşim kuvvetlerini geometrik olarak toplayarak ortaya çıkan etkileşim kuvvetini hesaplayabiliriz.

Coulomb yasasının keşfi, elektrik yükünün özelliklerini incelemede ilk somut adımdır. Cisimlerde veya temel parçacıklarda bir elektrik yükünün varlığı, bunların Coulomb yasasına göre birbirleriyle etkileşime girdiği anlamına gelir. Şu anda Coulomb yasasının katı bir şekilde uygulanmasından herhangi bir sapma tespit edilmedi.

Coulomb'un deneyi

Coulomb'un deneylerini yürütme ihtiyacı, 18. yüzyılın ortalarında ortaya çıktı. Elektrik olaylarıyla ilgili birçok yüksek kaliteli veri birikmiştir. Onlara niceliksel bir yorum verme ihtiyacı vardı. Elektriksel etkileşim kuvvetleri nispeten küçük olduğundan, ölçüm yapmayı ve gerekli kantitatif materyali elde etmeyi mümkün kılacak bir yöntemin oluşturulmasında ciddi bir sorun ortaya çıktı.

Fransız mühendis ve bilim adamı Charles Coulomb, küçük kuvvetleri ölçmek için bilim adamının kendisi tarafından keşfedilen aşağıdaki deneysel gerçeğe dayanan bir yöntem önerdi: bir metal telin elastik deformasyonu sırasında üretilen kuvvet, dördüncü bükülme açısıyla doğru orantılıdır. telin çapının gücü ve uzunluğuyla ters orantılı:

burada d çaptır, l telin uzunluğudur, φ bükülme açısıdır. Verilen matematiksel ifadede orantı katsayısı k ampirik olarak belirlendi ve telin yapıldığı malzemenin doğasına bağlıydı.

Bu model sözde burulma dengelerinde kullanıldı. Oluşturulan ölçekler, 5·10 -8 N düzeyindeki ihmal edilebilir kuvvetlerin ölçülmesini mümkün kıldı.

Burulma ölçeği (Şekil 3, a), yaklaşık 75 cm uzunluğunda, 0,22 cm çapında gümüş bir tel 5 üzerinde asılı, 10,83 cm uzunluğunda hafif bir cam külbütörden oluşuyordu. Salıncakın bir ucunda yaldızlı bir mürver topu 8 vardı. ve diğer tarafta - karşı ağırlık 6 - terebentine batırılmış bir kağıt daire. Telin üst ucu cihazın (1) kafasına tutturuldu. Ayrıca ipliğin bükülme açısının dairesel bir ölçekte (3) ölçüldüğü bir işaretçi (2) de vardı. Bu sistemin tamamı 4 ve 11 numaralı cam silindirlere yerleştirildi. Alt silindirin üst kapağında, ucunda bilye 7 bulunan bir cam çubuğun yerleştirildiği bir delik vardı. Deneylerde çapları 0,45 ile 0,68 cm arasında değişen toplar kullanıldı.

Deney başlamadan önce baş göstergesi sıfıra ayarlandı. Daha sonra top 7, önceden elektrikli olan toptan (12) yüklendi. Top (7) hareketli top (8) ile temas ettiğinde, yükün yeniden dağıtımı meydana geldi. Ancak topların çapları aynı olduğundan 7 ve 8 numaralı topların yükleri de aynıydı.

Bilyaların elektrostatik itmesi nedeniyle (Şekil 3, b), külbütör 9 bir açıyla döndürülmüş γ (bir ölçüde 10 ). Kafayı kullanma 1 bu külbütör orijinal konumuna geri döndü. Bir ölçüde 3 Işaretçi 2 açının belirlenmesine izin verildi α ipliği bükmek. Toplam bükülme açısı φ = γ + α . Toplar arasındaki etkileşimin kuvveti orantılıydı φ yani bükülme açısına göre bu kuvvetin büyüklüğü değerlendirilebilir.

Toplar arasında sabit bir mesafe ile (10 derecelik bir ölçekte sabitlenmiştir), nokta gövdeleri arasındaki elektriksel etkileşim kuvvetinin üzerlerindeki yük miktarına bağımlılığı incelenmiştir.

Kuvvetin topların yüküne bağımlılığını belirlemek için Coulomb, toplardan birinin yükünü değiştirmenin basit ve ustaca bir yolunu buldu. Bunu yapmak için yüklü bir top (toplar) bağladı. 7 veya 8 ) aynı boyutta yüksüz (top) 12 yalıtım kolunda). Bu durumda, yük toplar arasında eşit olarak dağıtıldı ve bu da incelenen yükü 2, 4 vb. kat azalttı. Yükün yeni değerindeki kuvvetin yeni değeri yine deneysel olarak belirlendi. Aynı zamanda ortaya çıktı kuvvetin topların yüklerinin çarpımı ile doğru orantılı olduğu:

Elektriksel etkileşimin gücünün mesafeye bağımlılığı aşağıdaki şekilde keşfedildi. Toplara bir yük verdikten sonra (aynı yüke sahiplerdi), külbütör belirli bir açıyla saptı γ . Sonra kafanı çevir 1 bu açı azaldı γ 1. Toplam bükülme açısı φ 1 = α 1 + (γ - γ 1)(α 1 – kafa dönüş açısı). Topların açısal mesafesi azaltıldığında γ 2 toplam bükülme açısı φ 2 = α 2 + (γ - γ 2). Eğer fark edildi ki γ 1 = 2γ 2, İÇİN φ 2 = 4φ 1, yani mesafe 2 kat azaldığında, etkileşim kuvveti 4 kat artar. Burulma deformasyonu sırasında kuvvet momenti, bükülme açısıyla ve dolayısıyla kuvvetle doğru orantılı olduğundan kuvvet momenti aynı miktarda arttı (kuvvetin kolu değişmeden kaldı). Bu, aşağıdaki sonuca yol açar: Yüklü iki top arasındaki etkileşim kuvveti, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır:

Tarih: 04/29/2015

Ansiklopedik YouTube

1 / 5

✪ Ders 213. Elektrik yükleri ve etkileşimleri. Coulomb yasası

✪ 8. sınıf - 106. Coulomb yasası

✪ Coulomb Yasası

✪ fizik COULLOMB YASASI problem çözme

✪ Ders 215. Coulomb yasasıyla ilgili problemler - 1

Altyazılar

Formülasyonlar

Bir boşluktaki iki nokta yük arasındaki etkileşimin kuvveti, bu yükleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilir, büyüklükleriyle orantılı ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Yüklerin işaretleri farklı ise çekici kuvvet, işaretleri aynı ise itici kuvvettir.

Yasanın doğru olabilmesi için aşağıdakilerin gerekli olduğuna dikkat etmek önemlidir:

1. Yüklerin noktasal yapısı, yani yüklü cisimler arasındaki mesafenin, boyutlarından çok daha büyük olması gerekir. Bununla birlikte, küresel simetrik, kesişmeyen uzaysal dağılımlara sahip, hacimsel olarak dağıtılmış iki yük arasındaki etkileşim kuvvetinin, küresel simetri merkezlerinde bulunan iki eşdeğer nokta yük arasındaki etkileşim kuvvetine eşit olduğu kanıtlanabilir;
2. Hareketsizlikleri. Aksi takdirde, ek etkiler devreye girer: Hareket eden bir yükün manyetik alanı ve buna karşılık gelen, başka bir hareketli yüke etki eden ek Lorentz kuvveti;
3. Yüklerin boşlukta düzenlenmesi.

Ancak kanun bazı düzenlemelerle yüklerin ortamdaki etkileşimleri ve hareketli yükler için de geçerlidir.

C. Coulomb'un formülasyonunda vektör formunda yasa şu şekilde yazılmıştır:

Nerede F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12))- yük 1'in yük 2'ye etki ettiği kuvvet; q 1 , q 2 (\displaystyle q_(1),q_(2))- ücretlerin büyüklüğü; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- yarıçap vektörü (yük 1'den yük 2'ye yönlendirilen ve mutlak değer olarak yükler arasındaki mesafeye eşit olan vektör - r 12 (\displaystyle r_(12))); k (\displaystyle k)- orantılılık katsayısı.

Katsayı k

Kuantum mekaniğinde Coulomb yasası

Kuantum elektrodinamiği açısından Coulomb yasası

Hikaye

İlk kez G. V. Richman, 1752-1753'te elektrik yüklü cisimlerin etkileşim yasasını deneysel olarak incelemeyi önerdi. Bu amaçla tasarladığı “işaretçi” elektrometreyi kullanmayı amaçladı. Bu planın uygulanması Richman'ın trajik ölümüyle engellendi.

Coulomb'dan yaklaşık 11 yıl önce, 1771'de, yüklerin etkileşimi yasası G. Cavendish tarafından deneysel olarak keşfedildi, ancak sonuç yayınlanmadı ve uzun süre (100 yıldan fazla) bilinmiyordu. Cavendish'in el yazmaları D. C. Maxwell'e ancak 1874'te Cavendish Laboratuvarı'nın açılışında Cavendish'in soyundan biri tarafından sunuldu ve 1879'da yayınlandı.

Coulomb, ipliklerin burulmasını bizzat inceledi ve burulma dengelerini icat etti. Yüklü topların etkileşim kuvvetlerini ölçmek için bunları kullanarak yasasını keşfetti.

Coulomb yasası, süperpozisyon ilkesi ve Maxwell denklemleri

Coulomb yasasının doğruluk derecesi

Coulomb yasası deneysel olarak kanıtlanmış bir gerçektir. Geçerliliği, doğruluğu giderek artan deneylerle defalarca doğrulanmıştır. Bu tür deneylerin bir yönü üssün farklı olup olmadığını test etmektir. R Yasada 2'den itibaren. Bu farkı bulmak için, eğer güç tam olarak ikiye eşitse, o zaman boşluğun veya iletkenin şekli ne olursa olsun, iletkendeki boşluğun içinde hiçbir alan olmadığı gerçeği kullanılır.

Bu tür deneyler ilk olarak Cavendish tarafından gerçekleştirildi ve Maxwell tarafından geliştirilmiş bir biçimde tekrarlandı ve bir üs ile ikinin kuvveti arasındaki maksimum fark için şu değer elde edildi: 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))

1971 yılında ABD'de E.R. Williams, D.E. Voller ve G.A. Hill tarafından yapılan deneyler, Coulomb yasasındaki üssün 2'ye eşit olduğunu gösterdi. (3, 1 ± 2, 7) × 10 − 16 (\displaystyle (3,1\pm 2,7)\times 10^(-16)) .

Coulomb yasasının atom içi mesafelerdeki doğruluğunu test etmek için W. Yu. Lamb ve R. Rutherford 1947'de hidrojen enerji seviyelerinin göreceli konumlarının ölçümlerini kullandılar. Atomik 10 −8 cm mertebesindeki mesafelerde bile Coulomb yasasındaki üssün 2'den 10 −9'dan fazla farklı olmadığı bulunmuştur.

Katsayı k (\displaystyle k) Coulomb yasasında 15⋅10 −6 doğrulukla sabit kalır.

Kuantum elektrodinamiğinde Coulomb yasasında yapılan değişiklikler

Kısa mesafelerde (Compton elektron dalga boyu mertebesinde, λ e = ℏ m e c (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3,86⋅10 −13 m, burada m e (\displaystyle m_(e))- elektron kütlesi, ℏ (\displaystyle \hbar )- Planck sabiti, c (\displaystyle c)- ışık hızı) kuantum elektrodinamiğinin doğrusal olmayan etkileri önemli hale gelir: sanal fotonların değişimi, sanal elektron-pozitron (aynı zamanda müon-antimuon ve taon-antitaon) çiftlerinin üretimi üzerine bindirilir ve taramanın etkisi azalır ( bkz. yeniden normalleştirme). Her iki etki de üstel olarak azalan sıra terimlerinin ortaya çıkmasına neden olur e − 2 r / λ e (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e))) yüklerin etkileşiminin potansiyel enerjisinin ifadesinde ve bunun sonucunda Coulomb yasasına göre hesaplanana kıyasla etkileşim kuvvetinde bir artışa yol açar.

Nerede λ e (\displaystyle \lambda _(e))- Elektronun Compton dalga boyu, α = e 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- ince yapı sabiti ve r ≫ λ e (\displaystyle r\gg \lambda _(e)).

Sipariş mesafelerinde λ W = ℏ m w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, burada m w (\displaystyle m_(w))- W-bozonunun kütlesi, elektrozayıf etkiler devreye giriyor.

Vakum bozulma alanının gözle görülür bir kısmını oluşturan güçlü dış elektromanyetik alanlarda (sırasıyla) m e c 2 e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m veya m e c e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, bu tür alanlar örneğin magnetarlar gibi bazı nötron yıldız türlerinin yakınında gözlenir), Coulomb yasası aynı zamanda değişim fotonlarının dış alan fotonları üzerindeki Delbrück saçılımı ve diğer daha karmaşık doğrusal olmayan etkiler nedeniyle de ihlal edilir. Bu olay Coulomb kuvvetini yalnızca mikro ölçekte değil aynı zamanda makro ölçekte de azaltır; özellikle güçlü bir manyetik alanda Coulomb potansiyeli mesafeyle ters orantılı olarak değil, üstel olarak düşer.

Coulomb yasası ve vakum polarizasyonu

Coulomb yasası ve süper ağır çekirdekler

Coulomb yasasının bilim tarihindeki önemi

Coulomb yasası, elektromanyetik olaylar için keşfedilen ilk niceliksel ve matematiksel olarak formüle edilmiş temel yasadır. Coulomb yasasının keşfi, modern elektromanyetizma biliminin başlangıcı oldu.

Ayrıca bakınız

Bağlantılar

• Coulomb Yasası (video ders, 10. sınıf programı)

Notlar

1. Sivukhin D.V. Genel fizik dersi. - M.: Fizmatlit; MIPT yayınevi, 2004. - T. III. Elektrik. - S. 17. - 656 s. - ISBN 5-9221-0227-3.
2. Landau L. D., Lifshits E. M. Teorik fizik: Ders Kitabı.  el kitabı: üniversiteler için.  V 10 t . T.2 Alan teorisi. - 8. baskı, stereot. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 s. -

Elektrostatikte temel yasalardan biri Coulomb yasasıdır. Fizikte iki sabit nokta yükü arasındaki etkileşim kuvvetini veya aralarındaki mesafeyi belirlemek için kullanılır. Bu, başka hiçbir yasaya bağlı olmayan temel bir doğa yasasıdır. O zaman gerçek cismin şekli kuvvetlerin büyüklüğünü etkilemez. Bu yazıda basit terimlerle Coulomb yasasını ve pratikteki uygulamasını açıklayacağız.

Keşif tarihi

Sh.O. 1785 yılında Coulomb, kanunla tanımlanan etkileşimleri deneysel olarak kanıtlayan ilk kişiydi. Deneylerinde özel burulma terazileri kullandı. Ancak 1773 yılında Cavendish, küresel kapasitör örneğini kullanarak kürenin içinde elektrik alanı olmadığını kanıtladı. Bu, elektrostatik kuvvetlerin cisimler arasındaki mesafeye bağlı olarak değiştiğini gösterdi. Daha kesin olmak gerekirse mesafenin karesi. Araştırması o zaman yayınlanmadı. Tarihsel olarak bu keşfe Coulomb adı verilmiştir ve yükün ölçüldüğü miktar da benzer bir isme sahiptir.

Formülasyon

Coulomb yasasının tanımı şunu belirtir: Bir boşluktaİki yüklü cismin F etkileşimi, modüllerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.

Kısa gibi görünse de herkes için net olmayabilir. Basit bir ifadeyle: Cisimlerin yükü ne kadar fazlaysa ve birbirlerine ne kadar yakınsa kuvvet de o kadar büyük olur.

Ve tam tersi: Yükler arasındaki mesafeyi arttırırsanız kuvvet azalacaktır.

Coulomb kuralının formülü şuna benzer:

Harflerin tanımı: q - yük değeri, r - aralarındaki mesafe, k - katsayı, seçilen birim sistemine bağlıdır.

Yük değeri q, koşullu olarak pozitif veya koşullu olarak negatif olabilir. Bu bölünme son derece keyfidir. Vücutlar temas ettiğinde birinden diğerine bulaşabilir. Bundan, aynı cismin farklı büyüklük ve işarette bir yüke sahip olabileceği sonucu çıkar. Nokta yükü, boyutları olası etkileşim mesafesinden çok daha küçük olan bir yük veya cisimdir.

Yüklerin bulunduğu ortamın F etkileşimini etkilediği dikkate alınmalıdır. Hava ve boşlukta neredeyse eşit olduğundan Coulomb'un keşfi yalnızca bu ortamlar için geçerlidir; bu, bu tür formüllerin kullanımının koşullarından biridir. Daha önce de belirtildiği gibi, SI sisteminde yük ölçüm birimi Cl olarak kısaltılan Coulomb'dur. Birim zamandaki elektrik miktarını karakterize eder. SI temel birimlerinden türetilmiştir.

1 C = 1 A*1 sn

1 C boyutunun gereksiz olduğunu belirtmekte fayda var. Taşıyıcıların birbirini itmesi nedeniyle, onları küçük bir gövdede tutmak zordur, ancak bir iletken içinde akarsa 1A akımın kendisi küçüktür. Örneğin, aynı 100 W akkor lambada 0,5 A'lık bir akım akar ve bir elektrikli ısıtıcıda 10 A'dan fazla akar. Böyle bir kuvvet (1 C), gövdeye etki eden 1 tonluk kütleye yaklaşık olarak eşittir. dünyanın tarafı.

Formülün yerçekimsel etkileşimdeki formülle hemen hemen aynı olduğunu fark etmiş olabilirsiniz; yalnızca Newton mekaniğinde kütleler ortaya çıkıyorsa, elektrostatikte yükler de ortaya çıkıyor.

Dielektrik bir ortam için Coulomb formülü

SI sisteminin değerleri dikkate alınarak katsayı N2 * m2 / Cl2 olarak belirlenir. Şuna eşittir:

Birçok ders kitabında bu katsayı kesir şeklinde bulunabilir:

Burada E 0 = 8,85*10-12 C2/N*m2 elektrik sabitidir. Bir dielektrik için, E eklenir - ortamın dielektrik sabiti, daha sonra Coulomb yasası, vakum ve ortam için yüklerin etkileşim kuvvetlerini hesaplamak için kullanılabilir.

Dielektrik etkisi dikkate alındığında şu şekildedir:

Bundan, gövdeler arasına bir dielektrik eklenmesinin F kuvvetini azalttığını görüyoruz.

Güçler nasıl yönlendiriliyor?

Yükler, kutuplarına bağlı olarak birbirleriyle etkileşime girer; tıpkı yüklerin itilmesi ve farklı (zıt) yüklerin birbirini çekmesi gibi.

Bu arada, cisimlerin her zaman çektiği benzer bir yerçekimi etkileşimi yasasından temel fark budur. Kuvvetler, yarıçap vektörü adı verilen, aralarında çizilen çizgi boyunca yönlendirilir. Fizikte r 12 olarak ve birinci yükten ikinci yüke ve bunun tersi yöndeki yarıçap vektörü olarak gösterilir. Kuvvetler, yükün merkezinden karşıt yüke, eğer yükler zıtsa bu çizgi boyunca, eğer aynı isimdeyse (iki pozitif veya iki negatif) ters yönde yönlendirilir. Vektör formunda:

İkinci yük tarafından ilk yüke uygulanan kuvvet F 12 olarak gösterilir. O zaman Coulomb yasası vektör biçiminde şöyle görünür:

İkinci yüke uygulanan kuvveti belirlemek için F 21 ve R 21 işaretleri kullanılır.

Eğer gövde karmaşık bir şekle sahipse ve belirli bir mesafede nokta yük olarak kabul edilemeyecek kadar büyükse, o zaman küçük bölümlere ayrılır ve her bölüm bir nokta yük olarak kabul edilir. Ortaya çıkan tüm vektörlerin geometrik olarak toplanmasından sonra ortaya çıkan kuvvet elde edilir. Atomlar ve moleküller birbirleriyle aynı yasaya göre etkileşime girer.

Uygulamada uygulama

Coulomb'un çalışması elektrostatikte çok önemlidir; pratikte bir dizi icat ve cihazda kullanılmaktadır. Çarpıcı bir örnek bir paratonerdir. Yardımı ile binaları ve elektrik tesisatlarını fırtınalardan korurlar, böylece yangın ve ekipman arızalarını önlerler. Gökgürültülü yağmur yağdığında, yerde büyük miktarda indüklenmiş bir yük belirir ve bunlar buluta doğru çekilir. Dünya yüzeyinde büyük bir elektrik alanının ortaya çıktığı ortaya çıktı. Paratoner ucunun yakınında daha büyüktür, bunun sonucunda uçtan (yerden, paratonerden buluta kadar) bir korona deşarjı ateşlenir. Coulomb yasasına göre yerden gelen yük, bulutun zıt yüküne doğru çekilir. Paratonerin ucuna doğru hava iyonlaşır ve elektrik alan şiddeti azalır. Böylece bina üzerinde yük birikmez, bu durumda yıldırım çarpması ihtimali düşüktür. Binaya bir darbe gelirse, paratoner aracılığıyla tüm enerji toprağa gidecektir.

Ciddi bilimsel araştırmalarda 21. yüzyılın en büyük cihazı olan parçacık hızlandırıcı kullanılıyor. İçinde elektrik alanı parçacığın enerjisini arttıracak şekilde çalışır. Bu süreçlere, bir grup suçlamanın noktasal yük üzerindeki etkisi açısından bakıldığında, yasanın tüm ilişkilerinin geçerli olduğu ortaya çıkar.

Kullanışlı