Coulombi seadus ja selle rakendamine elektrotehnikas

Nii nagu Newtoni mehaanikas, toimub gravitatsiooniline vastastikmõju alati massiga kehade vahel, sarnaselt elektrodünaamikale on elektriline vastastikmõju iseloomulik elektrilaengutega kehadele. Elektrilaeng on tähistatud sümboliga «q» või «Q».

Võime isegi öelda, et elektrilaengu q mõiste elektrodünaamikas on mõneti sarnane gravitatsioonimassi m kontseptsiooniga mehaanikas. Kuid erinevalt gravitatsioonimassist iseloomustab elektrilaeng kehade ja osakeste omadust astuda elektromagnetilistesse interaktsioonidesse ning need vastasmõjud, nagu te aru saate, ei ole gravitatsioonilised.

Elektrilaengud

Inimese kogemused elektriliste nähtuste uurimisel sisaldavad palju katsetulemusi ja kõik need faktid võimaldasid füüsikutel jõuda elektrilaengute kohta järgmistele ühemõttelistele järeldustele:

1. Elektrilaenguid on kahte tüüpi — tinglikult võib need jagada positiivseteks ja negatiivseteks.

2.Elektrilaenguid saab ühelt laetud objektilt teisele üle kanda: näiteks kehade omavahel kokku puutudes – nendevahelist laengut saab eraldada. Sel juhul ei ole elektrilaeng üldsegi keha kohustuslik komponent: erinevatel tingimustel võib ühel ja samal objektil olla erineva suuruse ja märgiga laeng või sellel puudub laeng. Seega ei ole laeng midagi kandjale omast ja samas ei saa laeng eksisteerida ilma kandjata.

3. Kui gravitatsioonikehad tõmbavad üksteist alati ligi, siis elektrilaengud võivad üksteist nii meelitada kui ka tõrjuda. Nagu laengud tõmbavad vastastikku, nagu laengud tõrjuvad.

Laengukandjad on elektronid, prootonid ja muud elementaarosakesed. Elektrilaenguid on kahte tüüpi – positiivsed ja negatiivsed. Positiivsed laengud on need, mis tekivad nahaga hõõrutud klaasile. Negatiivne – karusnahaga hõõrutud merevaigul esinevad laengud. Samanimelistes süüdistustes süüdistatud võimud lükkavad tagasi. Vastupidise laenguga objektid tõmbavad üksteist.

Elektrilaengu jäävuse seadus on põhiline loodusseadus, see kõlab nii: «Isoleeritud süsteemi kõigi kehade laengute algebraline summa jääb konstantseks». See tähendab, et suletud süsteemis on ainult ühe märgi laengute tekkimine või kadumine võimatu.

Laengute algebraline summa isoleeritud süsteemis hoitakse konstantsena. Laengukandjad võivad liikuda ühest kehast teise või liikuda keha sees, molekulis, aatomis. Laeng on võrdlusraamistikust sõltumatu.

Tänapäeval on teaduslik seisukoht, et algselt olid laengukandjad elementaarosakesed.Elementaarosakesed neutronid (elektriliselt neutraalsed), prootonid (positiivselt laetud) ja elektronid (negatiivselt laetud) moodustavad aatomeid.

Aatomite tuumad koosnevad prootonitest ja neutronitest ning elektronid moodustavad aatomite kestad. Elektroni ja prootoni laengute moodulid on suuruselt võrdsed elementaarlaenguga e, kuid märgiliselt on nende osakeste laengud üksteisele vastandlikud.

Elektrilaengute koostoime — Coulombi seadus

Mis puudutab elektrilaengute otsest vastasmõju, siis 1785. aastal kehtestas ja kirjeldas prantsuse füüsik Charles Coulomb eksperimentaalselt selle elektrostaatika põhiseaduse, loodusseaduse, mis ei tulene ühestki teisest seadusest. Teadlane uurib oma töös statsionaarsete punktlaenguga kehade vastasmõju ning mõõdab nende vastastikust tõuke- ja külgetõmbejõudu.

Coulomb tegi eksperimentaalselt kindlaks järgmise: "Statsionaarsete laengute vastastikmõju jõud on võrdeline moodulite korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga."

See on Coulombi seaduse sõnastus. Ja kuigi punktlaenguid looduses ei eksisteeri, saab Coulombi seaduse selle sõnastuse raames rääkida nendevahelisest kaugusest ainult punktlaengute osas.

Tegelikult, kui kehade vahelised kaugused ületavad oluliselt nende suurust, siis ei mõjuta laetud kehade suurus ega kuju nende koostoimet eriti, mis tähendab, et selle probleemi kehasid võib üsnagi pidada punktitaolisteks.

Vaatame näidet. Riputame mõned laetud pallid nööridele.Kuna need on mingil moel laetud, tõrjuvad nad või meelitavad. Kuna jõud on suunatud piki neid kehasid ühendavat sirgjoont, on need kesksed jõud.

Igale teiselt laengule mõjuvate jõudude tähistamiseks kirjutame: F12 on teise laengu jõud esimesele, F21 on esimese laengu jõud teisele, r12 on teisest laengust lähtuv raadiuse vektor. punkti tasu esimesele. Kui laengud on sama märgiga, siis suunatakse jõud F12 ühiselt raadiusvektorile, aga kui laengud on erineva märgiga, siis on jõud F12 suunatud raadiusvektorile.

Punktlaengute vastastikmõju seadust (Coulombi seadust) kasutades saab nüüd leida interaktsioonijõu mis tahes punktlaengute või punktlaengute kehade jaoks. Kui kehad ei ole punktikujulised, on need mõtteliselt jaotatud elementide pastellideks, millest igaüks võib võtta punktlaenguna.

Pärast kõigi väikeste elementide vahel mõjuvate jõudude leidmist liidetakse need jõud geomeetriliselt – nad leiavad resultantjõu. Elementaarosakesed interakteeruvad ka üksteisega vastavalt Coulombi seadusele ja tänaseni ei ole täheldatud selle elektrostaatika põhiseaduse rikkumisi.

Coulombi seaduse rakendamine elektrotehnikas

Kaasaegses elektrotehnikas pole valdkonda, kus Coulombi seadus ühel või teisel kujul ei toimiks. Alustades elektrivoolust, lõpetades lihtsalt laetud kondensaatoriga. Eriti need valdkonnad, mis tegelevad elektrostaatikaga — need on 100% seotud Coulombi seadusega. Vaatame vaid mõnda näidet.

Lihtsaim juhtum on dielektriku kasutuselevõtt.Laengute vastastikmõju vaakumis on alati suurem kui samade laengute vastastikmõju tingimustes, kui nende vahele on paigutatud mingisugune dielektrik.

Söötme dielektriline konstant on just see väärtus, mis võimaldab kvantitatiivselt määrata jõudude väärtused, sõltumata laengute ja nende suuruste vahelisest kaugusest. Piisab, kui jagada vaakumis olevate laengute interaktsioonijõud sisseviidud dielektriku dielektrikonstandiga — saame interaktsioonijõu dielektriku olemasolul.

Keeruline uurimisseade — osakestekiirend. Laetud osakeste kiirendite töö põhineb elektrivälja ja laetud osakeste vastasmõju nähtusel. Elektriväli töötab kiirendis, suurendades osakese energiat.

Kui vaadelda siin kiirendatud osakest punktlaenguna ja kiirendi kiirendava elektrivälja toimet kui summaarset jõudu teistest punktlaengutest, siis sel juhul järgitakse täielikult Coulombi seadust Magnetväli suunab osakest ainult läbi Lorentzi jõud, kuid ei muuda selle energiat, vaid määrab ainult osakeste liikumise trajektoori kiirendis.

Elektrilised kaitsekonstruktsioonid. Olulised elektripaigaldised on alati varustatud esmapilgul lihtsa asjaga nagu piksevarras. Ja ka piksevarras oma töös ei möödu Coulombi seadust järgimata. Äikese ajal tekivad Maale suured indutseeritud laengud — Coulombi seaduse järgi tõmmatakse need äikesepilve suunas. Tulemuseks on tugev elektriväli maapinnal.

Selle välja intensiivsus on eriti suur teravate juhtide läheduses ja seetõttu süttib piksevarda teravas otsas koronaalne tühjenemine — Maalt lähtuv laeng kipub Coulombi seadust järgides tõmbuma äikese vastupidise laenguga. pilv.

Piksevarda läheduses olev õhk on koroonalahenduse tagajärjel tugevalt ioniseeritud. Selle tulemusena väheneb elektrivälja tugevus tipu lähedal (nagu ka mistahes juhtme sees), indutseeritud laengud ei saa hoonele koguneda ning väheneb välgu tekkimise tõenäosus. Kui välk juhtub piksevarda tabama, siis laeng läheb lihtsalt Maale ega kahjusta paigaldust.