Законът на Кулон и неговото приложение в електротехниката

Точно както в нютоновата механика, гравитационното взаимодействие винаги се осъществява между тела с маси, подобно на електродинамиката, електрическото взаимодействие е характерно за телата с електрически заряди. Електрическият заряд се обозначава със символа «q» или «Q».

Можем дори да кажем, че концепцията за електрически заряд q в електродинамиката е донякъде подобна на концепцията за гравитационната маса m в механиката. Но за разлика от гравитационната маса, електрическият заряд характеризира свойството на телата и частиците да влизат в сила електромагнитни взаимодействия и тези взаимодействия, както разбирате, не са гравитационни.

Електрически заряди

Човешкият опит в изучаването на електрически явления съдържа много експериментални резултати и всички тези факти позволиха на физиците да стигнат до следните еднозначни заключения относно електрическите заряди:

1. Електрическите заряди са два вида — условно те могат да бъдат разделени на положителни и отрицателни.

2. От един зареден обект към друг могат да се прехвърлят електрически заряди: например чрез контакт на тела помежду си — зарядът между тях може да бъде разделен. В този случай електрическият заряд изобщо не е задължителен компонент на тялото: при различни условия един и същ обект може да има заряд с различна величина и знак или може да няма заряд. По този начин таксата не е нещо присъщо на превозвача и в същото време таксата не може да съществува без носителя.

3. Докато гравитиращите тела винаги се привличат един към друг, електрическите заряди могат както да се привличат взаимно, така и взаимно да се отблъскват. Подобни такси взаимно се привличат, подобни заряди се отблъскват.

Носителите на заряд са електрони, протони и други елементарни частици. Има два вида електрически заряди — положителни и отрицателни. Положителните заряди са тези, които се появяват върху стъклото, натрито с кожа. Отрицателни — такси, възникващи върху кехлибар, натъркан с козина. Органите, натоварени с едноименни обвинения, отблъскват. Тела с противоположни заряди се привличат едно към друго.

Законът за запазване на електрическия заряд е основен закон на природата, звучи така: «алгебричната сума от заряди на всички тела в изолирана система остава постоянна». Това означава, че в затворена система появата или изчезването на заряди само за един знак е невъзможно.

Алгебричната сума от заряди в изолирана система се поддържа постоянна. Носителите на заряд могат да се движат от едно тяло в друго или да се движат вътре в тялото, в молекула, атом. Таксата е независима от референтната рамка.

Днес научната гледна точка е, че първоначално носителите на заряд са елементарни частици. Елементарни частици неутрони (електрически неутрални), протони (положително заредени) и електрони (отрицателно заредени) образуват атоми.

Ядрата на атомите са съставени от протони и неутрони, а електроните образуват черупките на атомите. Модулите на зарядите на електрон и протон са равни по величина на елементарния заряд e, но в знак зарядите на тези частици са противоположни един на друг.

Взаимодействие на електрическите такси — Законът на Кулон

Що се отнася до прякото взаимодействие на електрическите заряди помежду си, тогава през 1785 г. френският физик Шарл Кулон експериментално установява и описва този основен закон на електростатиката, основния закон на природата, който не следва от никакви други закони. Ученият в своята работа изучава взаимодействието на неподвижни точкови заредени тела и измерва силите на тяхното взаимно отблъскване и привличане.

Кулон експериментално установи следното: «Силите на взаимодействие на неподвижните заряди са право пропорционални на произведението на модулите и обратно пропорционални на квадрата на разстоянието между тях.»

Това е формулирането на закона на Кулон. И въпреки че точковите заряди не съществуват в природата, само по отношение на точковите заряди можем да говорим за разстоянието между тях, в рамките на тази формулировка на закона на Кулон.

Всъщност, ако разстоянията между телата значително надвишават техните размери, тогава нито размерът, нито формата на заредените тела няма да повлияят особено на тяхното взаимодействие, което означава, че телата за този проблем могат справедливо да се считат за точковидни.

Нека разгледаме един пример. Нека окачим няколко заредени топки на конци. Тъй като по някакъв начин са заредени, те или ще се отблъснат, или ще се привлекат. Тъй като силите са насочени по права линия, свързваща тези тела, това са централни сили.

За да обозначим силите, действащи от всеки от зарядите от другия, ще напишем: F12 е силата на втория заряд върху първия, F21 е силата на първия заряд във втория, r12 е радиусният вектор от втория точково зареждане към първото. Ако зарядите имат един и същ знак, тогава силата F12 ще бъде съвместно насочена към радиусния вектор, но ако зарядите имат различни знаци, тогава силата F12 ще бъде насочена срещу вектора на радиуса.

Използвайки закона за взаимодействие на точковите заряди (Законът на Кулон), сега може да се намери силата на взаимодействие за всякакви точкови заряди или точкови зарядни тела. Ако телата не са точковидни, те психически се разбиват на пастели от елементи, всеки от които може да се приеме за точков заряд.

След като открият силите, действащи между всички малки елементи, тези сили се събират геометрично — те намират получената сила. Елементарните частици също взаимодействат помежду си според закона на Кулон и до ден днешен не са забелязани нарушения на този основен закон на електростатиката.

Приложение на закона на Кулон в електротехниката

В съвременното електротехника няма област, в която законът на Кулон да не работи в една или друга форма. Започвайки с електрически ток, завършвайки с просто зареден кондензатор. Особено тези области, които се отнасят до електростатиката — те са 100% свързани със закона на Кулон. Нека разгледаме само няколко примера.

Най -простият случай е въвеждането на диелектрик. Силата на взаимодействие на заряди във вакуум винаги е по -голяма от силата на взаимодействие на същите заряди при условия, когато между тях е разположен някакъв вид диелектрик.

Диелектричната константа на среда е точно тази стойност, която ви позволява количествено да определяте стойностите на силите, независимо от разстоянието между зарядите и техните величини. Достатъчно е силата на взаимодействие на зарядите във вакуум да се раздели на диелектричната константа на въведения диелектрик — получаваме силата на взаимодействие в присъствието на диелектрик.

Сложно изследователско оборудване — ускорител на частици. Работата на ускорителите на заредени частици се основава на явлението взаимодействие на електрическо поле и заредени частици. Електрическото поле извършва работа в ускорителя, увеличавайки енергията на частицата.

Ако разглеждаме тук ускорената частица като точков заряд, а действието на ускоряващото електрическо поле на ускорителя — като общата сила от други точкови заряди, тогава в този случай законът на Кулон се спазва напълно.Магнитното поле насочва частицата само чрез силата на Лоренц, но не променя нейната енергия, а само задава траекторията за движение на частици в ускорителя.

Защитни електрически конструкции. Важните електрически инсталации винаги са оборудвани с нещо толкова просто на пръв поглед като гръмоотвод. И гръмоотводът в работата си също не минава без спазване на закона на Кулон. По време на гръмотевична буря на Земята се появяват големи индуцирани заряди — според закона на Кулон те се привличат по посока на гръмотевичния облак. Резултатът е силно електрическо поле върху повърхността на земята.

Интензивността на това поле е особено висока в близост до остри проводници и затова в заострения край на гръмоотвода се запалва коронарен разряд — зарядът от Земята се стреми, подчинявайки се на закона на Кулон, да бъде привлечен от противоположния на гръмотевицата заряд. облак.

Въздухът близо до гръмоотвода е силно йонизиран в резултат на коронарния разряд. В резултат на това силата на електрическото поле близо до върха намалява (както и вътре във всеки проводник), индуцираните заряди не могат да се натрупват върху сградата и вероятността от мълния се намалява. Ако се случи мълния да удари гръмоотвода, тогава зарядът просто ще отиде в Земята и няма да повреди инсталацията.