Coulombovi zakoni - metode otkrivanja i granice

Naknade i električna energija su pojmovi koji su obvezni za one slučajeve u kojima se promatra interakcija napunjenih tijela. Sile odbijanja i privlačnosti proizlaze iz nabijenih tijela i šire se istovremeno u svim smjerovima, postupno blijedi. Tu silu je u svoje vrijeme otkrio slavni francuski prirodoslovac Charles Coulomb, a pravilo kojem se pokoravaju nabijena tijela nazivaju se Coulombovim zakonom.

Charles Pendant

Francuski znanstvenik rođen je u Francuskoj, gdje je dobio izvrsno obrazovanje. Aktivno je primjenjivao svoje znanje u inženjerstvu i dao značajan doprinos teoriji mehanizama. Privjesak je autor radova koji su proučavali rad. vjetrenjače, statistika različitih struktura, torzija niti pod utjecajem vanjskih sila. Jedan od tih radova pomogao je otkriti Coulomb-Amontonov zakon koji objašnjava procese trenja. No, glavni doprinos Charles Coulomb napravio za proučavanje statičkog elektriciteta. Eksperimenti koje je proveo ovaj francuski znanstvenik doveli su ga do razumijevanja jednog od najosnovnijih zakona fizike. Njemu dugujemo znanje o prirodi interakcije napunjenih tijela.

prapovijest

Snage privlačenja i odbijanja, s kojima električni nabori djeluju jedan na drugoga, usmjereni su duž ravne linije koja spaja napunjena tijela. Sa povećanjem udaljenosti, ova sila slabi. Stoljeće poslije Isaac Newton otvorio je svoj svjetsko pravo Francuski znanstvenik S. Coulon eksperimentalno je istraživao princip interakcije između napunjenih tijela i dokazao da je priroda takve sile slična agresivnim snagama. Štoviše, kako se ispostavilo, interakcijska tijela u električnom polju ponašaju se jednako kao i sva tijela koja posjeduju masu u gravitacijskom polju.

Coulombov uređaj

Dijagram uređaja s kojim je Charles Coulomb napravio svoja mjerenja prikazan je na slici:

Kao što možete vidjeti, u biti, ovaj dizajn se ne razlikuje od uređaja, koji je u jednom trenutku mjerio Cavendish gravitacijska konstanta. Izolacijska šipka, obješena na tanki konac, završava metalnom kuglom, na koju se nalazi određena električni naboj Još jedna metalna kugla je bliže kugli, a zatim se približava sila interakcije prema stupnju uvijanja konca.

Coulombski eksperiment

Coulomb je sugerirao da bi se Hookeov zakon, koji je tada već bio poznat, mogao primijeniti na silu s kojom je nit zakrivljena. Znanstvenik je usporedio promjenu sile na različitim udaljenostima jedne kugle od druge i otkrio da sila interakcije mijenja svoju vrijednost u obrnutoj proporciji s kvadratom udaljenosti između lopti. Privjesak je uspio promijeniti vrijednosti napunjene kuglice iz q u q / 2, q / 4, q / 8 i tako dalje. Uz svaku promjenu naboja, sila interakcije se proporcionalno mijenjala njegova vrijednost. Dakle, postupno je formulirano pravilo, koje se kasnije nazvalo "Coulombovim zakonom".

definicija

Eksperimentalno, francuski znanstvenik je dokazao da su sile s kojima dva napunjena tijela međusobno djeluju proporcionalna proizvodu njihovih naboja i obrnuto proporcionalni kvadratu udaljenosti između naboja. Ova tvrdnja je Coulombov zakon. U matematičkom obliku, može se izraziti kao:

U ovom izrazu:

• q je iznos naboja;
• d je udaljenost između napunjenih tijela;
• k je električna konstanta.

Vrijednost električne konstante ovisi o izboru mjerne jedinice. U suvremenom sustavu veličina električnog naboja mjeri se u privjescima, a električna konstanta u Newtonu × m ² / Privjesak ² .

Nedavna mjerenja su pokazala da ovaj koeficijent treba uzeti u obzir dielektričnu konstantu medija u kojem se eksperiment provodi. Sada je vrijednost prikazana u obliku relacije k = k _¹ / e, gdje je ₁ električna konstanta koja nam je već poznata i nije pokazatelj dielektrične konstante. U vakuumskim uvjetima ova vrijednost je jednaka jednoj.

Zaključci iz Coulombovog zakona

Znanstvenik je eksperimentirao s različitim optužbama, testirajući interakciju između tijela s različitim troškovima. Naravno, nije mogao mjeriti električni naboj u bilo kojoj jedinici - nije bilo dovoljno znanja ili odgovarajućih instrumenata. Charles Coulomb uspio je podijeliti projektil dodirivanjem napunjene kugle. Tako je dobio djelomične vrijednosti izvornog naboja. Niz eksperimenata pokazao je da je električni naboj očuvan, razmjena se odvija bez povećanja ili smanjenja količine naboja. To je temeljno načelo temelj zakona očuvanja električnog naboja. Trenutno je dokazano da je ovaj zakon promatran kako u mikrokozmosu elementarnih čestica tako iu makrosvijetu zvijezda i galaksija.

Uvjeti potrebni za ispunjavanje Coulombovog zakona

Da bi zakon bio ispunjen s većom točnošću, moraju biti ispunjeni sljedeći uvjeti:

• Troškovi se moraju navesti. Drugim riječima, udaljenost između promatranih napunjenih tijela mora biti mnogo veća od njihove veličine. Ako naelektrisana tijela imaju sferični oblik, tada možemo pretpostaviti da je cijela naboj u točki koja je središte kugle.
• Izmjereno tijelo mora biti fiksirano. Inače, brojni vanjski čimbenici će utjecati na pokretni naboj, na primjer, Lorentzovu silu, koja daje punjenju dodatnog ubrzanja. Kao i magnetsko polje pokretnog napunjenog tijela.
• Promatrana tijela trebaju biti u vakuumu kako bi se izbjegli učinci protoka zračnih masa na rezultate opažanja.

Coulombov zakon i kvantna elektrodinamika

Sa stajališta kvantne elektrodinamike, interakcija nabijenih tijela događa se razmjenom virtualnih fotona. Postojanje takvih nevidljivih čestica i nulta masa, ali ne i nulta naboja, neizravno je potvrđeno principom nesigurnosti. Prema tom principu, virtualni foton može postojati između trenutaka emisije takve čestice i njezine apsorpcije. Što je udaljenost između tijela manja manja, to je manje vremena fotona na putu, stoga je veća energija emitiranih fotona. Uz malu udaljenost između promatranih naboja, načelo nesigurnosti dopušta razmjenu i kratkotalasnih i dugovalnih čestica, a na velikim udaljenostima kratkovalni fotoni ne sudjeluju u razmjeni.

Postoje li ograničenja za primjenu Coulombovog zakona

Coulombov zakon u potpunosti objašnjava ponašanje dviju točaka u vakuumu. Ali kada se radi o stvarnim tijelima, treba uzeti u obzir volumne dimenzije napunjenih tijela i obilježja okoline u kojoj se vrši promatranje. Na primjer, neki istraživači su primijetili da tijelo koje nosi mali naboj i koje je prisiljeno na električno polje drugog objekta s velikim nabojem počinje biti privučeno ovim nabojem. U ovom slučaju, tvrdnja da se tijela nalik jednako odbijaju, ne uspijevaju, i treba tražiti drugo objašnjenje za uočeni fenomen. Najvjerojatnije se ovdje ne raspravlja o kršenju Coulombovog zakona ili principu očuvanja električnog naboja - moguće je da promatramo fenomene koji nisu proučavani do kraja, što znanost može objasniti malo kasnije.