Coulombin laki ja sen soveltaminen sähkötekniikassa

Kuten Newtonin mekaniikassa, painovoiman vuorovaikutus tapahtuu aina massojen omaavien kappaleiden välillä, samoin kuin sähködynamiikassa, sähköinen vuorovaikutus on ominaista kappaleille, joissa on sähkövarauksia. Sähkövaraus on merkitty symbolilla «q» tai «Q».

Voimme jopa sanoa, että sähkövarauksen käsite q on jossain määrin samanlainen kuin mekaniikan gravitaatiomassan käsite. Mutta toisin kuin gravitaatiomassa, sähkövaraus luonnehtii kappaleiden ja hiukkasten ominaisuutta päästä sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen, ja nämä vuorovaikutukset, kuten ymmärrät, eivät ole painovoimaisia.

Sähkölataukset

Ihmisten kokemus sähköilmiöiden tutkimuksesta sisältää monia kokeellisia tuloksia, ja kaikki nämä tosiasiat antoivat fyysikot tehdä seuraavat yksiselitteiset johtopäätökset sähkövarauksista:

1. Sähkövarauksia on kahta tyyppiä — ehdollisesti ne voidaan jakaa positiivisiin ja negatiivisiin.

2.Sähkövarauksia voidaan siirtää varautuneesta kohteesta toiseen: esimerkiksi saattamalla kappaleet kosketukseen keskenään - niiden välinen varaus voidaan erottaa. Tässä tapauksessa sähkövaraus ei ole ollenkaan kehon pakollinen komponentti: eri olosuhteissa samassa esineessä voi olla eri suuruusluokkaa ja eri etumerkkiä oleva varaus tai sillä voi olla varausta. Varaus ei siis ole jotain kantoaineelle ominaista, ja samalla varaus ei voi olla olemassa ilman kantajaa.

3. Vaikka gravitaatiokappaleet vetävät aina puoleensa toisiaan, sähkövaraukset voivat sekä vetää puoleensa että hylkiä toisiaan. Kuten varaukset vetävät toisiaan puoleensa, kuten varaukset hylkivät.

Varauksen kantajia ovat elektronit, protonit ja muut alkuainehiukkaset. Sähkövarauksia on kahdenlaisia ​​- positiivisia ja negatiivisia. Positiiviset varaukset ovat niitä, jotka näkyvät nahalla hierotussa lasissa. Negatiivinen – turkishierotussa meripihkassa esiintyviä latauksia. Samannimisestä syytteestä syytetyt viranomaiset perääntyivät. Kohteet, joilla on vastakkaiset varaukset, vetävät toisiaan puoleensa.

Sähkövarauksen säilymislaki on luonnon peruslaki, se kuuluu näin: "Kaikkien kappaleiden varausten algebrallinen summa eristetyssä järjestelmässä pysyy vakiona". Tämä tarkoittaa, että suljetussa järjestelmässä vain yhden merkin maksujen ilmestyminen tai katoaminen on mahdotonta.

Eristetyn järjestelmän varausten algebrallinen summa pidetään vakiona. Varauksenkantajat voivat liikkua kappaleesta toiseen tai liikkua kehon sisällä, molekyylissä, atomissa. Maksu on riippumaton viitekehyksestä.

Nykyään tieteellinen näkemys on, että alun perin varauksen kantajat olivat alkuainehiukkasia.Alkuainehiukkaset neutronit (sähköisesti neutraalit), protonit (positiivisesti varatut) ja elektronit (negatiivisesti varautuneet) muodostavat atomeja.

Atomien ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, ja elektronit muodostavat atomien kuoret. Elektronin ja protonin varausten moduulit ovat suuruudeltaan yhtä suuria kuin alkuainevaraus e, mutta etumerkissä näiden hiukkasten varaukset ovat vastakkaisia ​​toisiaan vastaan.

Sähkövarausten vuorovaikutus — Coulombin laki

Mitä tulee sähkövarausten välittömään vuorovaikutukseen toistensa kanssa, niin vuonna 1785 ranskalainen fyysikko Charles Coulomb loi ja kuvasi kokeellisesti tämän sähköstaattisen peruslain, luonnon peruslain, joka ei seuraa mistään muista laeista. Tiedemies tutkii työssään paikallaan olevien pistevarattujen kappaleiden vuorovaikutusta ja mittaa niiden keskinäisen hylkimisen ja vetovoiman voimia.

Coulomb totesi kokeellisesti seuraavaa: "Kiinteänvaraisten varausten vuorovaikutusvoimat ovat suoraan verrannollisia moduulien tuloon ja kääntäen verrannollisia niiden välisen etäisyyden neliöön."

Tämä on Coulombin lain muotoilu. Ja vaikka pistevarauksia ei ole luonnossa, voidaan tässä Coulombin lain muotoilussa puhua niiden välisestä etäisyydestä vain pistevarausten suhteen.

Itse asiassa, jos kappaleiden väliset etäisyydet ylittävät merkittävästi niiden kokoa, niin varautuneiden kappaleiden koko tai muoto ei vaikuta erityisesti niiden vuorovaikutukseen, mikä tarkoittaa, että tämän ongelman kappaleita voidaan pitää melko pistemäisinä.

Katsotaanpa esimerkkiä. Riputetaan muutama ladattu pallo naruille.Koska ne ovat jollakin tavalla ladattuja, ne joko hylkivät tai houkuttelevat. Koska voimat suuntautuvat näitä kappaleita yhdistävää suoraa linjaa pitkin, nämä ovat keskeisiä voimia.

Merkitsemme voimia, jotka vaikuttavat kumpaankin toiseen varaukseen, kirjoitamme: F12 on toisen varauksen voima ensimmäiseen, F21 on ensimmäisen varauksen voima toiseen, r12 on sädevektori toisesta. pistemaksu ensimmäiselle. Jos varauksilla on sama etumerkki, niin voima F12 suunnataan yhdessä sädevektoriin, mutta jos varauksilla on eri etumerkit, niin voima F12 kohdistuu sädevektoria vasten.

Pistevarausten vuorovaikutuslain (Coulombin laki) avulla vuorovaikutusvoima voidaan nyt löytää kaikille pistevarauksille tai pistevarauskappaleille. Jos kappaleet eivät ole pistemäisiä, ne hajoavat henkisesti elementtien pastelliväreiksi, joista jokainen voidaan ottaa pistevarauksena.

Kun kaikkien pienten elementtien välillä vaikuttavat voimat on löydetty, nämä voimat summautuvat geometrisesti – ne löytävät resultanttivoiman. Alkuainehiukkaset ovat myös vuorovaikutuksessa toistensa kanssa Coulombin lain mukaan, eikä tähän mennessä ole havaittu tämän sähköstaattisen peruslain rikkomuksia.

Coulombin lain soveltaminen sähkötekniikassa

Nykyaikaisessa sähkötekniikassa ei ole aluetta, jolla Coulombin laki ei toimisi muodossa tai toisessa. Alkaen sähkövirralla, päättyen yksinkertaisesti ladattavaan kondensaattoriin. Varsinkin ne alueet, jotka käsittelevät sähköstatiikkaa – ne liittyvät 100 %:sti Coulombin lakiin. Katsotaanpa vain muutamia esimerkkejä.

Yksinkertaisin tapaus on dielektrin käyttöönotto.Varausten vuorovaikutusvoima tyhjiössä on aina suurempi kuin samojen varausten vuorovaikutusvoima olosuhteissa, joissa niiden väliin sijoitetaan jonkinlainen eriste.

Väliaineen dielektrisyysvakio on juuri se arvo, jonka avulla voit määrittää voimien arvot kvantitatiivisesti riippumatta varausten ja niiden suuruuden välisestä etäisyydestä. Riittää, kun jakaa varausten vuorovaikutusvoima tyhjiössä tuodun eristeen dielektrisyysvakiolla - saamme vuorovaikutusvoiman dielektrin läsnä ollessa.

Hienostunut tutkimuslaitteisto – hiukkaskiihdytin. Varautuneiden hiukkaskiihdyttimien toiminta perustuu sähkökentän ja varautuneiden hiukkasten vuorovaikutusilmiöön. Sähkökenttä toimii kiihdyttimessä ja lisää hiukkasen energiaa.

Jos tässä tarkastellaan kiihdytettyä hiukkasta pistevarauksena ja kiihdyttimen kiihdyttävän sähkökentän vaikutusta kokonaisvoimana muista pistevarauksista, niin tässä tapauksessa noudatetaan täysin Coulombin lakia, jonka mukaan magneettikenttä ohjaa hiukkasen vain läpi. Lorentzin voima, mutta ei muuta sen energiaa, vaan asettaa vain hiukkasten liikeradan kiihdytinessä.

Suojaavat sähkörakenteet. Tärkeät sähköasennukset on aina varustettu ensisilmäyksellä yksinkertaisella tavalla kuin salamanvarsi. Ja salamanvarsi työssään ei myöskään mene ohi noudattamatta Coulombin lakia. Ukkosmyrskyn aikana maapallolle ilmaantuu suuria indusoituneita varauksia – Coulombin lain mukaan ne vetäytyvät ukkospilven suuntaan. Tuloksena on voimakas sähkökenttä maan pinnalla.

Tämän kentän intensiteetti on erityisen suuri lähellä teräviä johtimia, ja siksi koronapurkaus syttyy salamanvarren terävässä päässä - maasta tuleva varaus pyrkii Coulombin lakia noudattaen vetäytymään ukkosen vastakkaisesta varauksesta. pilvi.

Salamanvarren lähellä oleva ilma on erittäin ionisoitunut koronapurkauksen seurauksena. Tämän seurauksena sähkökentän voimakkuus kärjen lähellä heikkenee (samoin kuin minkä tahansa johdon sisällä), indusoidut varaukset eivät voi kerääntyä rakennukseen ja salaman todennäköisyys pienenee. Jos salama sattuu iskemään salamanvarsaan, varaus menee yksinkertaisesti maahan eikä vahingoita asennusta.