Kulona likums un tā pielietojums elektrotehnikā

Tāpat kā Ņūtona mehānikā gravitācijas mijiedarbība vienmēr notiek starp ķermeņiem ar masām, līdzīgi kā elektrodinamikā, elektriskā mijiedarbība ir raksturīga ķermeņiem ar elektriskiem lādiņiem. Elektrisko lādiņu apzīmē ar simbolu «q» vai «Q».

Var pat teikt, ka elektriskā lādiņa q jēdziens elektrodinamikā ir nedaudz līdzīgs gravitācijas masas m jēdzienam mehānikā. Bet atšķirībā no gravitācijas masas, elektriskais lādiņš raksturo ķermeņu un daļiņu īpašību iesaistīties elektromagnētiskajā mijiedarbībā, un šī mijiedarbība, kā jūs saprotat, nav gravitācija.

Elektriskie lādiņi

Cilvēka pieredze elektrisko parādību izpētē satur daudzus eksperimentālus rezultātus, un visi šie fakti ļāva fiziķiem izdarīt šādus nepārprotamus secinājumus par elektriskajiem lādiņiem:

1. Elektriskie lādiņi ir divu veidu — nosacīti tos var iedalīt pozitīvajos un negatīvajos.

2.Elektriskos lādiņus var pārnest no viena uzlādēta objekta uz otru: piemēram, saskaroties savā starpā ķermeņiem – lādiņu starp tiem var atdalīt. Šajā gadījumā elektriskais lādiņš vispār nav obligāta ķermeņa sastāvdaļa: dažādos apstākļos vienam un tam pašam objektam var būt dažāda lieluma un zīmes lādiņš, vai arī tam var nebūt lādiņa. Tādējādi lādiņš nav kaut kas raksturīgs nesējam, un tajā pašā laikā lādiņš nevar pastāvēt bez nesēja.

3. Kamēr gravitācijas ķermeņi vienmēr pievelk viens otru, elektriskie lādiņi var gan pievilkt viens otru, gan atstumt. Tāpat kā lādiņi savstarpēji pievelk, līdzīgi lādiņi atgrūž.

Lādiņu nesēji ir elektroni, protoni un citas elementārdaļiņas. Ir divu veidu elektriskie lādiņi - pozitīvie un negatīvie. Pozitīvie lādiņi ir tie, kas parādās uz stikla, kas noberzts ar ādu. Negatīvs — lādiņi uz kažokādas noberzta dzintara. Iestādes, kas apsūdzētas tāda paša nosaukuma apsūdzībās, atgrūž. Objekti ar pretēju lādiņu piesaista viens otru.

Elektriskā lādiņa nezūdamības likums ir dabas pamatlikums, tas skan šādi: «visu izolētā sistēmā esošo ķermeņu lādiņu algebriskā summa paliek nemainīga». Tas nozīmē, ka slēgtā sistēmā maksas parādīšanās vai pazušana tikai vienai zīmei nav iespējama.

Lādiņu algebriskā summa izolētā sistēmā tiek uzturēta nemainīga. Lādiņu nesēji var pārvietoties no viena ķermeņa uz otru vai pārvietoties ķermeņa iekšienē, molekulā, atomā. Maksa nav atkarīga no atskaites sistēmas.

Mūsdienās zinātniskais uzskats ir tāds, ka sākotnēji lādiņu nesēji bija elementāras daļiņas.Elementārās daļiņas neitroni (elektriski neitrāli), protoni (pozitīvi lādēti) un elektroni (negatīvi lādēti) veido atomus.

Atomu kodolus veido protoni un neitroni, un elektroni veido atomu apvalkus. Elektrona un protona lādiņu moduļi pēc lieluma ir vienādi ar elementārlādiņu e, bet zīmē šo daļiņu lādiņi ir pretēji viens otram.

Elektrisko lādiņu mijiedarbība — Kulona likums

Kas attiecas uz elektrisko lādiņu tiešo mijiedarbību savā starpā, tad 1785. gadā franču fiziķis Šarls Kulons eksperimentāli noteica un aprakstīja šo elektrostatikas pamatlikumu, dabas pamatlikumu, kas neizriet no citiem likumiem. Zinātnieks savā darbā pēta stacionāru punktveida lādētu ķermeņu mijiedarbību un mēra to savstarpējās atgrūšanas un pievilkšanās spēkus.

Kulons eksperimentāli noteica sekojošo: "Stacionāro lādiņu mijiedarbības spēki ir tieši proporcionāli moduļu reizinājumam un apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam starp tiem."

Tas ir Kulona likuma formulējums. Un, lai gan punktveida lādiņi dabā neeksistē, tikai punktveida lādiņu izteiksmē mēs varam runāt par attālumu starp tiem, šī Kulona likuma formulējuma ietvaros.

Faktiski, ja attālumi starp ķermeņiem ievērojami pārsniedz to izmērus, tad ne lādēto ķermeņu izmērs, ne forma īpaši neietekmēs to mijiedarbību, kas nozīmē, ka šīs problēmas ķermeņus var uzskatīt par punktveida.

Apskatīsim piemēru. Uzkarināsim dažas uzlādētas bumbiņas uz aukliņām.Tā kā tie ir kaut kādā veidā uzlādēti, tie vai nu atgrūdīs, vai piesaistīs. Tā kā spēki ir vērsti pa taisnu līniju, kas savieno šos ķermeņus, tie ir centrālie spēki.

Lai apzīmētu spēkus, kas iedarbojas uz katru no otra lādiņiem, rakstīsim: F12 ir otrā lādiņa spēks uz pirmo, F21 ir pirmā lādiņa spēks uz otro, r12 ir rādiusa vektors no otrā. punktu maksa uz pirmo. Ja lādiņiem ir vienāda zīme, tad spēks F12 tiks kopīgi vērsts uz rādiusa vektoru, bet, ja lādiņiem ir dažādas zīmes, tad spēks F12 tiks vērsts pret rādiusa vektoru.

Izmantojot punktveida lādiņu mijiedarbības likumu (Kūlona likumu), mijiedarbības spēku tagad var atrast jebkuram punktveida lādiņam vai punktveida lādiņa ķermeņiem. Ja ķermeņi nav punktveida, tie garīgi tiek sadalīti elementu pasteļos, no kuriem katru var uztvert kā punktveida lādiņu.

Pēc spēku atrašanas, kas darbojas starp visiem mazajiem elementiem, šie spēki ģeometriski summējas — tie atrod rezultējošo spēku. Arī elementārās daļiņas mijiedarbojas savā starpā saskaņā ar Kulona likumu, un līdz šim nav novēroti nekādi šī elektrostatikas pamatlikuma pārkāpumi.

Kulona likuma pielietojums elektrotehnikā

Mūsdienu elektrotehnikā nav jomas, kurā Kulona likums nedarbotos vienā vai otrā veidā. Sākot ar elektrisko strāvu, beidzot ar vienkārši uzlādētu kondensatoru. Īpaši tās jomas, kas nodarbojas ar elektrostatiku — tās ir 100% saistītas ar Kulona likumu. Apskatīsim tikai dažus piemērus.

Vienkāršākais gadījums ir dielektriķa ieviešana.Lādiņu mijiedarbības spēks vakuumā vienmēr ir lielāks par to pašu lādiņu mijiedarbības spēku apstākļos, kad starp tiem ir novietots kaut kāds dielektriķis.

Vides dielektriskā konstante ir tieši tā vērtība, kas ļauj kvantitatīvi noteikt spēku vērtības neatkarīgi no attāluma starp lādiņiem un to lielumiem. Pietiek dalīt lādiņu mijiedarbības spēku vakuumā ar ievadītā dielektriķa dielektrisko konstanti — mijiedarbības spēku iegūstam dielektriķa klātbūtnē.

Sarežģīta pētniecības iekārta — daļiņu paātrinātājs. Lādētu daļiņu paātrinātāju darbības pamatā ir elektriskā lauka un lādētu daļiņu mijiedarbības fenomens. Elektriskais lauks darbojas akseleratorā, palielinot daļiņas enerģiju.

Ja šeit mēs uzskatām paātrināto daļiņu par punktveida lādiņu, bet paātrinātāja paātrinošā elektriskā lauka darbību par kopējo spēku no citiem punktveida lādiņiem, tad šajā gadījumā pilnībā tiek ievērots Kulona likums Magnētiskais lauks virza daļiņu tikai cauri. Lorenca spēku, bet nemaina tā enerģiju, bet tikai nosaka daļiņu kustības trajektoriju akseleratorā.

Aizsardzības elektriskās konstrukcijas. Svarīgas elektroinstalācijas vienmēr ir aprīkotas ar kaut ko tik vienkāršu no pirmā acu uzmetiena kā zibensnovedējs. Un zibensnovedējs savā darbā arī neiziet bez Kulona likuma ievērošanas. Pērkona negaisa laikā uz Zemes parādās lieli inducēti lādiņi — saskaņā ar Kulona likumu tie tiek piesaistīti negaisa mākoņa virzienā. Rezultāts ir spēcīgs elektriskais lauks uz zemes virsmas.

Šī lauka intensitāte ir īpaši augsta asu vadītāju tuvumā, un tāpēc zibens stieņa smailajā galā tiek aizdedzināta koronālā izlāde — lādiņš no Zemes, ievērojot Kulona likumu, tiek piesaistīts pretējam pērkona lādiņam. mākonis.

Gaiss pie zibensnovedēja ir ļoti jonizēts korona izlādes rezultātā. Rezultātā samazinās elektriskā lauka stiprums gala tuvumā (kā arī jebkura vada iekšpusē), inducētie lādiņi nevar uzkrāties uz ēkas, un tiek samazināta zibens iespējamība. Ja zibens stienī trāpīs, lādiņš vienkārši nonāks Zemē un nesabojās instalāciju.