Между 2-мя либо несколькими электрическими зарядами всегда есть силы взаимодействия: заряды либо отталкиваются, либо, напротив, притягиваются один к другому.
Очень точными опытами французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 — 1806) установил, что сила взаимодействия между 2-мя электрическими зарядами находится в зависимости от их величины, расстояния между ними и среды, в какой находятся эти заряды.
Эта зависимость может быть сформулирована следующим образом:
Закон Кулона: сила взаимодействия между 2-мя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин этих зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Это означает, что если величина 1-го из электрических зарядов вырастет, к примеру, в два раза, то и сила взаимодействия между зарядами возрастет в два раза. Если же расстояние между зарядами возрастет в два раза, то сила взаимодействия между зарядами уменьшится вчетверо.
Математически закон Кулона выражается формулой:
где q1, и q2 — величины электрических зарядов в кулонах (1 кулон = 6,29*10 18 зарядов электронов);
r—расстояние между зарядами в метрах;
F—сила взаимодействия зарядов в ньютонах (единица силы в СИ);
k—коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров среды, которая окружает электрические заряды, и от выбора системы единиц.
Закон Кулона вполне справедлив только для точечных зарядов, т. е. таких заряженных тел, размеры которых существенно меньше расстояния между ними. В большинстве практических случаев это условие осуществляется.
Коэффициент k можно найти по формуле
где ε — электрическая проницаемость среды.
где εr— относительная электрическая проницаемость среды— отвлеченное число, показывающее, во сколько раз электрическая проницаемость данной среды больше, чем электрическая проницаемость «пустоты» — вакуума
ε0—электрическая проницаемость вакуума, которая в системе СИ имеет значение:
Ниже даны значения относительной электрической проницаемости некоторых веществ.
Относительная электрическая проницаемость ег некоторых веществ
| Воздух | 1,00059 |
| Бумага | 3,0 — 3,5 |
| Слюда | 4,0 — 7,5 |
| Фарфор | 6,0 — 6,5 |
| Стекло | 5,5 — 10 |
| Вода | 81 |
| Сегнетова соль | 500 — 600 |
| Метатитанат бария | 1000 — 1500 |
| Метатитанат бария с добавками | 7000 — 9000 |
Последние три вещества в этой таблице относятся к так именуемым сегнетоэлектрикам — диэлектрикам, у каких зависимость тока смещения от напряженности электрического поля нелинейная.
Относительная электрическая проницаемость указывает, во сколько раз возрастет сила взаимодействия между зарядами, если данный диэлектрик поменять вакуумом.
Приглянулась СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В Соц СЕТЯХ!
Закон Кулона ординарными словами
В электростатике одним из основополагающих является закон Кулона. Он применяется в физике для определения силы взаимодействия 2-ух недвижных точечных зарядов либо расстояния между ними. Это базовый закон природы, который не зависит ни от каких других законов. Тогда форма реального тела не оказывает влияние на величину сил. В этой статье мы поведаем обычным языком закон Кулона и его использование на практике.
История открытия
Ш.О. Кулон в 1785 г. в первый раз экспериментально обосновал взаимодействия описанные законом. В собственных опытах он использовал особые крутильные весы. Но еще в 1773 г. было подтверждено Кавендишем, на примере сферического конденсатора, что снутри сферы отсутствует электрическое поле. Это гласило о том, что электростатические силы меняются зависимо от расстояния между телами. Если быть поточнее — квадрату расстояния. Тогда его исследования не были размещены. Исторически сложилось так, что это открытие было названо в честь Кулона, аналогичное название носит и величина, в какой измеряется заряд.
Формулировка
Определение закона Кулона говорит: В вакууме F взаимодействия 2-ух заряженных тел прямо пропорционально произведению их модулей и назад пропорционально квадрату расстояния между ними.
Звучит коротко, но может быть не многим понятно. Ординарными словами: Чем больший заряд имеют тела и чем поближе они находятся друг к другу, тем больше сила.
И напротив: Если прирастить расстояние межу зарядами — сила станет меньше.
Формула правила Кулона смотрится так:
Обозначение букв: q — величина заряда, r — расстояние межу ними, k — коэффициент, находится в зависимости от избранной системы единиц.
Величина заряда q может быть условно-положительной либо условно-отрицательной. Это деление очень условно. При соприкосновении тел она может передаваться от 1-го к другому. Отсюда следует, что одно и то же тело может иметь различный по величине и знаку заряд. Точечным именуется таковой заряд либо тело, размеры которого много меньше, чем расстояние вероятного взаимодействия.
Стоит учесть что среда, в какой размещены заряды, оказывает влияние на F взаимодействия. Так как в воздухе и в вакууме она практически равна, открытие Кулона применимо только для этих сред, это одно из критерий использования этого вида формулы. Как уже было сказано, в системе СИ единица измерения заряда — Кулон, сокращено Кл. Она охарактеризовывает количество электричества в единицу времени. Является производной от главных единиц СИ.
Необходимо отметить, что размерность 1 Кл сверхизбыточна. Из-за того что носители отталкиваются друг от друга их трудно удержать в маленьком теле, хотя сам по для себя ток в 1А маленькой, если он протекает в проводнике. К примеру в той же лампе накаливания на 100 Вт течет ток в 0,5 А, а в электрообогревателе и больше 10 А. Такая сила (1 Кл) приблизительно равна действующей на тело массой 1 т со стороны земного шара.
Вы могли увидеть, что формула фактически такая же, как и в гравитационном содействии, только если в ньютоновской механике бытуют массы, то в электростатике — заряды.
Формула Кулона для диэлектрической среды
Коэффициент с учетом величин системы СИ определяется в Н 2 *м 2 /Кл 2 . Он равен:
В почти всех учебниках этот коэффициент можно повстречать в виде дроби:
Тут Е0= 8,85*10-12 Кл2/Н*м2 — это электрическая неизменная. Для диэлектрика добавляется E — диэлектрическая проницаемость среды, тогда закон Кулона может применяться для расчетов сил взаимодействия зарядов для вакуума и среды.
С учетом воздействия диэлектрика имеет вид:
Отсюда мы лицезреем, что введение диэлектрика между телами понижает силу F.
Как ориентированы силы
Заряды ведут взаимодействие вместе зависимо от их полярности — однообразные отталкиваются, а разноименные (обратные) притягиваются.
Кстати это главное отличие от подобного закона гравитационного взаимодействия, где тела всегда притягиваются. Силы ориентированы вдоль полосы, проведенной между ними, именуют радиус-вектором. В физике обозначают как r12 и как радиус-вектор от первого ко второму заряду и напротив. Силы ориентированы от центра заряда к обратному заряду вдоль этой полосы, если заряды обратны, и в оборотную сторону, если они одноименные (два положительных либо два отрицательных). В векторном виде:
Сила, приложенная к первому заряду со стороны второго обозначается как F12. Тогда в векторной форме закон Кулона смотрится следующим образом:
Для определения силы приложенной ко второму заряду применяются обозначения F21 и R21.
Если тело имеет сложную форму и оно довольно огромное, что при данном расстоянии не может считаться точечным, тогда его разбивают на мелкие участки и считают каждый участок как точечный заряд. После геометрического сложения всех получившихся векторов получают результирующую силу. Атомы и молекулы ведут взаимодействие вместе по этому же закону.
Использование на практике
Работы Кулона очень важны в электростатике, на практике они применяется в целом ряде изобретений и устройств. Броским примером можно выделить молниеотвод. С его помощью защищают строения и электроустановки от грозы, предотвращая тем пожар и выход из строя оборудования. Когда идёт дождик с грозой на земле возникает индуцированный заряд большой величины, они притягиваются в сторону облака. Выходит так, что на поверхности земли возникает огромное электрическое поле. Около острия молниеотвода оно имеет огромную величину, в итоге этого от острия загорается коронный разряд (от земли, через молниеотвод к облаку). Заряд от земли притягивается к обратному заряду облака, согласно закону Кулона. Воздух ионизируется, а напряженность электрического поля миниатюризируется поблизости конца молниеотвода. Таким макаром, заряды не скапливаются на здании, в таком случае возможность удара молнии мала. Если же удар в здание и произойдет, то через молниеотвод вся энергия уйдет в землю.
В суровых научных исследовательских работах используют величайшее сооружение 21 века – ускоритель частиц. В нём электрическое поле делает работу по повышению энергии частички. Рассматривая эти процессы исходя из убеждений воздействия на точечный заряд группой зарядов, тогда все соотношения закона оказываются справедливыми.
В итоге советуем просмотреть видео, на котором предоставлено подробное разъяснение Закона Кулона:
