Coulombov zákon a jeho aplikácia v elektrotechnike

Tak ako v newtonovskej mechanike, gravitačná interakcia sa vždy vyskytuje medzi telesami s hmotnosťou, podobne ako v elektrodynamike je elektrická interakcia charakteristická pre telesá s elektrickým nábojom. Elektrický náboj je označený symbolom «q» alebo «Q».

Dokonca môžeme povedať, že pojem elektrického náboja q v elektrodynamike je do istej miery podobný pojmu gravitačná hmotnosť m v mechanike. Ale na rozdiel od gravitačnej hmoty elektrický náboj charakterizuje vlastnosť telies a častíc vstúpiť do elektromagnetických interakcií a tieto interakcie, ako viete, nie sú gravitačné.

Elektrické náboje

Ľudská skúsenosť so štúdiom elektrických javov obsahuje mnoho experimentálnych výsledkov a všetky tieto skutočnosti umožnili fyzikom dospieť k nasledujúcim jednoznačným záverom o elektrických nábojoch:

1. Elektrické náboje sú dvoch typov — podmienene ich možno rozdeliť na kladné a záporné.

2.Elektrické náboje sa môžu prenášať z jedného nabitého objektu na druhý: napríklad vzájomným kontaktom telies - náboj medzi nimi sa môže oddeliť. Elektrický náboj v tomto prípade vôbec nie je povinnou zložkou tela: za rôznych podmienok môže mať ten istý predmet náboj rôznej veľkosti a znamienka, alebo nemusí mať náboj. Náboj teda nie je niečo vlastné nosiču a zároveň náboj nemôže existovať bez nosiča.

3. Zatiaľ čo sa gravitujúce telesá vždy priťahujú, elektrické náboje sa môžu priťahovať a odpudzovať. Ako náboje sa navzájom priťahujú, ako náboje sa odpudzujú.

Nosičmi náboja sú elektróny, protóny a iné elementárne častice. Existujú dva typy elektrických nábojov – kladný a záporný. Kladné náboje sú tie, ktoré sa objavujú na skle potiahnutom kožou. Negatívne - Náboje vyskytujúce sa na jantáre potiahnutom srsťou. Orgány obvinené z rovnomenných obvinení odmietajú. Predmety s opačným nábojom sa navzájom priťahujú.

Zákon zachovania elektrického náboja je základným prírodným zákonom, znie takto: «algebraický súčet nábojov všetkých telies v izolovanom systéme zostáva konštantný». To znamená, že v uzavretom systéme nie je možný výskyt alebo zmiznutie nábojov iba pre jeden znak.

Algebraický súčet nábojov v izolovanom systéme sa udržiava konštantný. Nosiče náboja sa môžu pohybovať z jedného tela do druhého alebo sa pohybovať vo vnútri tela, v molekule, atóme. Poplatok je nezávislý od referenčného rámca.

Dnes je vedecký názor, že pôvodne nosičmi náboja boli elementárne častice.Elementárne častice neutróny (elektricky neutrálne), protóny (kladne nabité) a elektróny (záporne nabité) tvoria atómy.

Jadrá atómov sa skladajú z protónov a neutrónov a elektróny tvoria obaly atómov. Moduly nábojov elektrónu a protónu sú rovnaké ako elementárny náboj e, ale v znamienku sú náboje týchto častíc navzájom opačné.

Interakcia elektrických nábojov — Coulombov zákon

Pokiaľ ide o priamu interakciu elektrických nábojov medzi sebou, potom v roku 1785 francúzsky fyzik Charles Coulomb experimentálne stanovil a opísal tento základný zákon elektrostatiky, základný zákon prírody, ktorý nevyplýva zo žiadnych iných zákonov. Vedec vo svojej práci študuje interakciu stacionárnych bodovo nabitých telies a meria sily ich vzájomného odpudzovania a príťažlivosti.

Coulomb experimentálne zistil nasledovné: "Sily interakcie stacionárnych nábojov sú priamo úmerné súčinu modulov a nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi."

Toto je formulácia Coulombovho zákona. A hoci bodové náboje v prírode neexistujú, iba z hľadiska bodových nábojov môžeme v rámci tejto formulácie Coulombovho zákona hovoriť o vzdialenosti medzi nimi.

V skutočnosti, ak vzdialenosti medzi telesami výrazne presahujú ich veľkosti, potom ani veľkosť, ani tvar nabitých telies neovplyvní ich interakciu, čo znamená, že telesá pre tento problém možno spravodlivo považovať za bodové.

Pozrime sa na príklad. Zavesíme niekoľko nabitých guličiek na šnúrky.Keďže sú nejakým spôsobom nabité, budú sa buď odpudzovať, alebo priťahovať. Keďže sily smerujú pozdĺž priamky spájajúcej tieto telesá, ide o centrálne sily.

Na označenie síl pôsobiacich na každý z nábojov od druhého napíšeme: F12 je sila druhého náboja na prvý, F21 je sila prvého náboja na druhý, r12 je vektor polomeru od druhého náboja. bodový poplatok do prvého. Ak majú náboje rovnaké znamienko, potom sila F12 bude spoločne smerovať k vektoru polomeru, ale ak majú náboje rôzne znamienka, potom sila F12 bude smerovať proti vektoru polomeru.

Pomocou zákona o interakcii bodových nábojov (Coulombov zákon) možno teraz nájsť interakčnú silu pre akékoľvek bodové náboje alebo telesá s bodovým nábojom. Ak telá nemajú bodový tvar, sú mentálne rozbité na pastely prvkov, z ktorých každý možno brať ako bodový náboj.

Po nájdení síl pôsobiacich medzi všetkými malými prvkami sa tieto sily geometricky sčítajú – nájdu výslednú silu. Elementárne častice tiež vzájomne interagujú podľa Coulombovho zákona a doteraz nebolo pozorované žiadne porušenie tohto základného zákona elektrostatiky.

Aplikácia Coulombovho zákona v elektrotechnike

V modernej elektrotechnike neexistuje oblasť, kde by Coulombov zákon nefungoval v tej či onej forme. Počnúc elektrickým prúdom, končiac jednoducho nabitým kondenzátorom. Najmä tie oblasti, ktoré sa zaoberajú elektrostatikou — 100% súvisia s Coulombovým zákonom. Pozrime sa len na niekoľko príkladov.

Najjednoduchším prípadom je zavedenie dielektrika.Sila vzájomného pôsobenia nábojov vo vákuu je vždy väčšia ako sila vzájomného pôsobenia tých istých nábojov za podmienok, keď je medzi nimi umiestnené nejaké dielektrikum.

Dielektrická konštanta média je presne tá hodnota, ktorá vám umožňuje kvantitatívne určiť hodnoty síl bez ohľadu na vzdialenosť medzi nábojmi a ich veľkosti. Interakčnú silu nábojov vo vákuu stačí vydeliť dielektrickou konštantou vneseného dielektrika — dostaneme interakčnú silu v prítomnosti dielektrika.

Sofistikované výskumné zariadenie — urýchľovač častíc. Činnosť urýchľovačov nabitých častíc je založená na fenoméne interakcie elektrického poľa a nabitých častíc. Elektrické pole funguje v urýchľovači a zvyšuje energiu častice.

Ak tu uvažujeme zrýchlenú časticu ako bodový náboj a pôsobenie zrýchľujúceho sa elektrického poľa urýchľovača ako celkovú silu od ostatných bodových nábojov, tak v tomto prípade je plne dodržaný Coulombov zákon Magnetické pole usmerňuje časticu len cez Lorentzova sila, ale nemení svoju energiu, ale iba nastavuje trajektóriu pohybu častíc v urýchľovači.

Ochranné elektrické konštrukcie. Dôležité elektroinštalácie sú vždy vybavené niečím na prvý pohľad jednoduchým, akým je bleskozvod. A bleskozvod vo svojej práci tiež neprejde bez dodržania Coulombovho zákona. Počas búrky sa na Zemi objavujú veľké indukované náboje – podľa Coulombovho zákona sú priťahované v smere búrkového mraku. Výsledkom je silné elektrické pole na zemskom povrchu.

Intenzita tohto poľa je obzvlášť vysoká v blízkosti ostrých vodičov, a preto sa na špicatom konci bleskozvodu zapáli koronálny výboj - náboj zo Zeme má tendenciu byť priťahovaný opačným nábojom blesku, podľa Coulombovho zákona. oblak.

Vzduch v blízkosti bleskozvodu je vysoko ionizovaný v dôsledku korónového výboja. Výsledkom je, že sila elektrického poľa v blízkosti hrotu klesá (rovnako ako vo vnútri akéhokoľvek drôtu), indukované náboje sa nemôžu hromadiť na budove a znižuje sa pravdepodobnosť blesku. Ak blesk náhodou zasiahne bleskozvod, potom náboj jednoducho pôjde na Zem a nepoškodí inštaláciu.