Llei de Coulomb i la seva aplicació en enginyeria elèctrica

Igual que en la mecànica newtoniana, la interacció gravitatòria sempre es produeix entre cossos amb masses, de manera similar a l'electrodinàmica, la interacció elèctrica és característica dels cossos amb càrregues elèctriques. La càrrega elèctrica es denota amb el símbol «q» o «Q».

Fins i tot podem dir que el concepte de càrrega elèctrica q en electrodinàmica és una mica similar al concepte de massa gravitatòria m en mecànica. Però, a diferència de la massa gravitatòria, la càrrega elèctrica caracteritza la propietat dels cossos i partícules d'entrar en interaccions electromagnètiques, i aquestes interaccions, com enteneu, no són gravitatòries.

Càrregues elèctriques

L'experiència humana en l'estudi dels fenòmens elèctrics conté molts resultats experimentals, i tots aquests fets van permetre als físics arribar a les següents conclusions inequívoques sobre les càrregues elèctriques:

1. Les càrregues elèctriques són de dos tipus: condicionalment es poden dividir en positives i negatives.

2.Les càrregues elèctriques es poden transferir d'un objecte carregat a un altre: per exemple, posant-se en contacte els cossos entre ells: la càrrega entre ells es pot separar. En aquest cas, la càrrega elèctrica no és en absolut un component obligatori del cos: en condicions diferents, un mateix objecte pot tenir una càrrega de diferent magnitud i signe, o pot no tenir càrrega. Així, el càrrec no és una cosa inherent al portador i, al mateix temps, el càrrec no pot existir sense el portador.

3. Mentre que els cossos gravitatoris sempre s'atreuen mútuament, les càrregues elèctriques es poden atreure i repel·lir-se. Les càrregues semblants s'atrauen mútuament, com les càrregues es repel·len.

Els portadors de càrrega són electrons, protons i altres partícules elementals. Hi ha dos tipus de càrregues elèctriques: positives i negatives. Les càrregues positives són les que apareixen al vidre fregat amb cuir. Negatiu - Càrregues que es produeixen en ambre fregat amb pell. Les autoritats acusades dels càrrecs del mateix nom rebutgen. Els objectes amb càrregues oposades s'atrauen.

La llei de conservació de la càrrega elèctrica és una llei fonamental de la naturalesa, es diu així: «la suma algebraica de càrregues de tots els cossos d'un sistema aïllat roman constant». Això vol dir que en un sistema tancat és impossible l'aparició o desaparició de càrrecs per un sol senyal.

La suma algebraica de càrregues en un sistema aïllat es manté constant. Els portadors de càrrega poden moure's d'un cos a un altre o moure's dins d'un cos, en una molècula, àtom. La càrrega és independent del marc de referència.

Avui, la visió científica és que originalment els portadors de càrrega eren partícules elementals.Les partícules elementals els neutrons (electricament neutres), els protons (carregats positivament) i els electrons (carregats negativament) formen els àtoms.

Els nuclis dels àtoms estan formats per protons i neutrons, i els electrons formen les capes dels àtoms. Els mòduls de les càrregues d'un electró i d'un protó són iguals en magnitud a la càrrega elemental e, però en signe les càrregues d'aquestes partícules són oposades entre si.

Interacció de càrregues elèctriques — Llei de Coulomb

Pel que fa a la interacció directa de les càrregues elèctriques entre si, aleshores el 1785 el físic francès Charles Coulomb va establir i va descriure experimentalment aquesta llei bàsica de l'electrostàtica, la llei bàsica de la naturalesa, que no segueix de cap altra llei. En el seu treball, el científic estudia la interacció dels cossos estacionaris amb càrrega puntual i mesura les forces de la seva repulsió i atracció mútues.

Coulomb va establir experimentalment el següent: "Les forces d'interacció de càrregues estacionàries són directament proporcionals al producte dels mòduls i inversament proporcionals al quadrat de la distància entre ells".

Aquesta és la formulació de la llei de Coulomb. I encara que les càrregues puntuals no existeixen a la natura, només en termes de càrregues puntuals podem parlar de la distància entre elles, dins d'aquesta formulació de la llei de Coulomb.

De fet, si les distàncies entre els cossos superen significativament les seves mides, aleshores ni la mida ni la forma dels cossos carregats afectaran especialment la seva interacció, la qual cosa significa que els cossos per a aquest problema es poden considerar bastant puntuals.

Vegem-ne un exemple. Pengem unes boles carregades de cordes.Com que estan carregats d'alguna manera, o repel·liran o atrauran. Com que les forces es dirigeixen al llarg d'una línia recta que connecta aquests cossos, aquestes són forces centrals.

Per indicar les forces que actuen sobre cadascuna de les càrregues de l'altra, escriurem: F12 és la força de la segona càrrega sobre la primera, F21 és la força de la primera càrrega sobre la segona, r12 és el vector de radi de la segona. càrrec puntual al primer. Si les càrregues tenen el mateix signe, aleshores la força F12 es dirigirà conjuntament al vector radi, però si les càrregues tenen signes diferents, aleshores la força F12 es dirigirà contra el vector radi.

Utilitzant la llei d'interacció de càrregues puntuals (llei de Coulomb), ara es pot trobar la força d'interacció per a qualsevol càrrega puntual o cossos de càrrega puntual. Si els cossos no tenen forma de punt, es divideixen mentalment en pastissos d'elements, cadascun dels quals es pot prendre com una càrrega puntual.

Després de trobar les forces que actuen entre tots els elements petits, aquestes forces es sumen geomètricament: troben la força resultant. Les partícules elementals també interaccionen entre elles segons la llei de Coulomb, i fins ara no s'han observat violacions d'aquesta llei fonamental de l'electrostàtica.

Aplicació de la llei de Coulomb a l'enginyeria elèctrica

No hi ha cap àrea en l'enginyeria elèctrica moderna on la llei de Coulomb no operi d'una forma o una altra. Començant amb un corrent elèctric, acabant amb un condensador simplement carregat. Especialment aquelles àrees que s'ocupen de l'electrostàtica, estan 100% relacionades amb la llei de Coulomb. Vegem-ne només uns quants exemples.

El cas més senzill és la introducció d'un dielèctric.La força d'interacció de les càrregues en el buit és sempre més gran que la força d'interacció de les mateixes càrregues en condicions en què es col·loca algun tipus de dielèctric entre elles.

La constant dielèctrica d'un medi és precisament aquell valor que permet determinar quantitativament els valors de les forces, independentment de la distància entre les càrregues i les seves magnituds. N'hi ha prou amb dividir la força d'interacció de les càrregues en el buit per la constant dielèctrica del dielèctric introduït: obtenim la força d'interacció en presència d'un dielèctric.

Equips de recerca sofisticats: un accelerador de partícules. El funcionament dels acceleradors de partícules carregades es basa en el fenomen d'interacció d'un camp elèctric i partícules carregades. El camp elèctric funciona a l'accelerador, augmentant l'energia de la partícula.

Si considerem aquí la partícula accelerada com una càrrega puntual, i l'acció del camp elèctric accelerador de l'accelerador com la força total d'altres càrregues puntuals, en aquest cas s'observa completament la llei de Coulomb. El camp magnètic dirigeix ​​la partícula només a través de la força de Lorentz, però no canvia la seva energia, sinó que només estableix la trajectòria del moviment de les partícules a l'accelerador.

Estructures elèctriques de protecció. Les instal·lacions elèctriques importants sempre estan equipades amb quelcom tan senzill a primera vista com un parallamps. I el parallamps en el seu treball tampoc passa sense observar la llei de Coulomb. Durant una tempesta, apareixen grans càrregues induïdes a la Terra; segons la llei de Coulomb, són atretes en la direcció del núvol de la tempesta. El resultat és un fort camp elèctric a la superfície terrestre.

La intensitat d'aquest camp és particularment alta prop dels conductors afilats i, per tant, s'encén una descàrrega coronal a l'extrem punxegut del parallamps: la càrrega de la Terra tendeix, obeint la llei de Coulomb, a ser atreta per la càrrega oposada del llamp. núvol.

L'aire prop del parallamps està molt ionitzat com a resultat de la descàrrega de la corona. Com a resultat, la força del camp elèctric a prop de la punta disminueix (així com a l'interior de qualsevol cable), les càrregues induïdes no s'acumulen a l'edifici i es redueix la probabilitat de llamps. Si un llamp colpeja el parallamps, la càrrega simplement anirà a la Terra i no danyarà la instal·lació.