Где применяется закон кулона

Правило Кулона простым языком: формула, ее описание, применение на практике и его значение

В физике есть раздел, который изучает электрические разряды и их взаимодействие с электрическим полем в состоянии покоя, и он называется электростатикой. В этом разделе главным оказывается правило Кулона.

Это правило применяют, чтобы определить силу, с которой взаимодействуют два покоящихся электрических зарядов либо расстояние от одного заряда до другого. На закон Кулона ничего не влияет и он ни от чего не зависит. Это основополагающий закон. Таким образом, вид конкретного объекта не оказывает влияния на силу и её значение.

Далее мы простыми словами объясним в чем заключается Кулоновское правило и закон Кулона и где его применяют.

Об открытии закона Кулона

1785 г. стал годом, когда экспериментальным путём были доказаны действия, которые описываются в законе. Это открытие совершил Ш.О. Кулон при помощи специальных крутильных весов.

Но, уже в 1773 году с помощью конденсатора в форме сферы, Кавендиш доказал, что во внутренней части этой сферы не было электрического поля.

А это говорит об изменении электрических сил с учетом промежутка от одной частицы до другой. Или расстоянию в квадрате. Но эти научные данные никто не опубликовал.

Отсюда становится понятным, почему закон назван по имени ученого Ш. О. Кулона, а не в честь Кавендиша. Мера, с помощью которой проводят измерения разряда, получила аналогичное название.

Как формулируется закон Кулона

Трактовка закона Кулона звучит следующим образом: в пустом пространстве (вакууме) сила двух взаимодействующих объектов с определённым зарядом возрастает по мере увеличения произведения их модулей и уменьшающаяся при возрастании расстояния в квадрате от одного объекта до другого.

Однако данная формулировка понятна не всем. Если объяснить по-простому, то закон Кулона будет звучать так: чем больше величина разряда тел и насколько рядом они располагаются, тем величина силы будет выше.

Либо по-другому: увеличивая промежуток между двумя заряженными телами – значение силы будет уменьшаться.

Описываемый закон может быть записан следующим образом:

Что означает каждая из величин в формуле: q — заряд, r — промежуток от одного заряда до другого, k — множитель, зависящий от того, какая система СИ была выбрана.

Заряд q обладает условно положительным либо условно отрицательным значением. Такое разделение может быть условным, т.е. если тела будут соприкасаться, то это значение способно перемещаться от тела к телу.

В результате у одного и того же объекта разряд может отличаться по своему значению и знаку. Заряд с маленьким размером в сравнении с тем, на каком расстоянии они взаимодействуют, носит название точечного заряда.

Кроме того, необходимо принимать во внимание тот факт, что условия, в которых находится разряд, оказывают влияние на взаимодействующие силы (F). Эта сила как в воздушном пространстве, так и в безвоздушном пространстве (вакууме) обладает практически одинаковыми величинами, поэтому этот закон применим исключительно в этих средах.

И это является одним из правил использования выше написанной формулы. Единицей измерения зарядов является Кулон (Кл).

Кулоном называют заряды, проходящие за 1 сек через тело, в котором сила тока равна 1 амперу. И может быть представлена как производная от основополагающих единиц измерения СИ.

Известно, что отталкиваясь, тела плохо удерживаются на маленьком объекте, несмотря на то, что сила тока равная 1 амперу–не велика.

К примеру, ток с силой в 0,5 ампер на каждые 100Вт протекает по простым лампочкам, но в том же электрическом нагревателе сила тока составляет величину более 10 ампер.

Таким образом, сила, действующая на объект с весом в 1 тонну с позиции Земли, обладает приблизительно одним и тем же значением.

Можно отметить тот факт, что выше представленное уравнение фактически имеет такую же форму, как и при гравитационных взаимодействиях.

И в случае когда в классической механике первостепенной является масса, тогда как при электростатическом взаимодействии фигурирует заряд.

Кулоновский закон для среды диэлектриков

Учитывая все величины в системе СИ множитель k будет равен следующему значению с соответствующей единицей измерения. Однако в большинстве учебников данный множитель записывают как дробь.

Где величина электрической постоянной равна — Е0= 8,85*10-12 Кл2/Н*м2.В диэлектрической среде в уравнении появляется величина диэлектрической постоянной.

Таким образом, рассматриваемый закон Кулона можно применять при расчете взаимодействующих сил заряда в вакууме и заряда в среде.

Теперь видно, что введя диэлектрик, значение силы F уменьшится.

Направление сил в законе Кулона

Взаимодействуя между собой два заряда с учётом того, какой полярностью обладают: с одинаковой будут отталкиваться, а с разными полярностями (противоположными) притягиваться.

Тем самым, отличаясь от похожего правила гравитационного взаимодействия, при котором объекты только способны притягиваться.

Радиус-вектор – это сила, направленная вдоль прямой, которая проведена между двумя зарядами. Эта величина имеет следующее обозначение — r12.

В том случае, когда два заряда имеют противоположные знаки, то тогда направление сил будет от центральной части одного заряда к противоположному заряду по всей проведенной прямой этими зарядами.

Однако, если они имеют одинаковые знаки, то направление будет в противоположную сторону.

Величина силы, приложенной кq1со стороны q2имеет обозначение следующего вида — F12. Чтобы определить силу, которая прикладывается на второй разряд применяют следующие символы -F21 и R21.

В случае, когда объект обладает сложной формой и большими размерами, что с заданным расстоянием оно не считается точечным, тогда объект разделяют на небольшие разделы и принимают каждый раздел за одиночный заряд.

Проведя все геометрические расчёты векторов выводят итоговое значение силы.

Практическое использование закона Кулона

Исследования Кулона для электростатики имеют большое значение, так как применяются во многих изобретениях и устройствах. В качестве примера можно привести громоотвод.

Он применяется для защиты зданий и электроустановок от гроз, что также позволяет предупредить возникновение пожара и поломку техники.

Когда на улице дождливая погода сопровождается грозой, то на земле возникают направленные разряды, притягивающиеся к облакам. В результате на земле образуются электрические поля большой величины.

Рядом с острой частью громоотвода это поле обладает наибольшей величиной, поэтому от этой части образуется возгорание самостоятельного газового разряда (земля -> громоотвод ->облака).

В то время, когда электричество от земли притягиваются к противоположным величинам облаков, начинает действовать закон Кулона.

Происходит намагничивание воздуха и уменьшение напряженности электростатического поля рядом с громоотводом. В результате оба заряда не будет накапливаться на зданиях и тогда риск возникновения молний будет ниже.

В том случае если молния всё-таки ударит по зданию, тогда по громоотводу образуемая энергия будет уходить в землю.

Для более важных исследований используют устройство, с помощью которого получают заряженные частицы высокой энергии. В этом устройстве поле, создаваемое при помощи электрических разрядов, создаёт действия, которые увеличивают энергию частиц.

При рассмотрении этих процессов с позиции действия на небольшие разряды группами, то в этом случае все зависимости закона Кулона становятся правдивыми.

Закон Кулона и его применение в электротехнике

Так же как в ньютоновой механике гравитационное взаимодействие всегда имеет место между телами обладающими массами, аналогичным образом в электродинамике электрическое взаимодействие свойственно телам, обладающим электрическими зарядами. Обозначается электрический заряд символом «q» или «Q».

Можно даже сказать, что понятие электрического заряда q в электродинамике чем-то схоже с понятием гравитационной массы m в механике. Но в отличие от гравитационной массы, электрический заряд характеризует свойство тел и частиц вступать в силовые электромагнитные взаимодействия, и эти взаимодействия, как вы понимаете, не являются гравитационными.

Человеческий опыт исследования электрических явлений содержит множество экспериментальных результатов, и все эти факты позволили физикам прийти к следующим однозначным выводам относительно электрических зарядов:

1. Электрические заряды бывают двух родов — условно их можно разделить на положительные и отрицательные.

2. От одного заряженного предмета к другому электрические заряды можно передавать: допустим, путем соприкосновения тел друг с другом — заряд между ними можно разделить. При этом электрический заряд вовсе не является обязательной составной частью тела: в различных условиях один и тот же предмет может обладать разным по величине и по знаку зарядом, либо заряд может отсутствовать. Таким образом, заряд не является чем-то неотъемлемым для носителя, и в то же самое время заряд не может существовать без носителя заряда.

3. В то время как гравитирующие тела всегда притягиваются друг к другу, электрические заряды могут как взаимно притягиваться, так и взаимно отталкиваться. Разноименные заряды взаимно притягиваются, одноименные — друг от друга отталкиваются.

Носителями зарядов являются электроны, протоны и другие элементарные частицы. Различают два рода электрических зарядов — положительные и отрицательные. Положительными называются заряды, возникающие на стекле, натертом кожей. Отрицательными — заряды, возникающие на янтаре, натертом мехом. Тела, заряженные одноименными зарядами, отталкиваются. Тела, имеющие разноименные заряды, притягиваются друг к другу.

Закон сохранения электрического заряда — фундаментальный закон природы, он звучит так: «алгебраическая сумма зарядов всех тел внутри изолированной системы остается постоянной». Это значит, что внутри замкнутой системы невозможно появление или исчезновение зарядов лишь одного знака.

Алгебраическая сумма зарядов в изолированной системе сохраняется постоянной. Носители зарядов могут перемещаться от одного тела к другому или смещаться внутри тела, в молекуле, атоме. Заряд не зависит от системы отсчета.

Сегодня научная точка зрения такова, что изначально носители заряда — это элементарные частицы. Элементарные частицы нейтроны (электрически нейтральные), протоны (положительно заряженные) и электроны (заряженные отрицательно) образуют атомы.

Из протонов и нейтронов состоят ядра атомов, а электроны образуют оболочки атомов. Модули зарядов электрона и протона равны по величине элементарному заряду е, но по знаку заряды этих частиц противоположны между собой.

Взаимодействие электрических зарядов — Закон Кулона

Что касается непосредственно взаимодействия электрических зарядов друг с другом, то в 1785 году французский физик Шарль Кулон экспериментально установил и описал этот основной закон электростатики, фундаментальный закон природы, ни из каких других законов не вытекающий. Ученый в своей работе изучал взаимодействие неподвижных точечных заряженных тел, и измерял силы их взаимного отталкивания и притяжения.

Кулон экспериментально установил следующее: «Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними».

Это и есть формулировка Закона Кулона. И хотя точечных зарядов в природе не существует, только применительно к точечным зарядам и можно говорить о расстоянии между ними, в рамках данной формулировки Закона Кулона.

На самом же деле, если расстояния между телами сильно превосходят их размеры, то ни размер, ни форма заряженных тел, особо не повлияют на их взаимодействие, а значит тела для данной задачи справедливо можно будет считать точечными.

Рассмотрим такой пример. Подвесим на нитках пару заряженных шаров. Поскольку они как-то заряжены, то станут либо отталкиваться друг от друга, либо притягиваться друг к другу. Так как силы направлены вдоль прямой, соединяющей данные тела, — силы эти центральные.

Для обозначения сил, действующих со стороны каждого из зарядов на другой, запишем: F12 – сила действия второго заряда на первый, F21 – сила действия первого заряда на второй, r12 – радиус-вектор от второго точечного заряда к первому. Если заряды имеют одинаковый знак, то сила F12 будет сонаправлена радиусу-вектору, если же у зарядов разные знаки — F12 будет направлена противоположно радиусу-вектору.

При помощи закона взаимодействия точечных зарядов (Закона Кулона) можно теперь находить силу взаимодействия для любых точечных зарядов или точечных заряженных тел. Если же тела не точечные, то их мысленно разбивают на мелке элементы, каждый из которых можно было бы принять за точечный заряд.

После нахождения сил, действующих между всеми мелкими элементами, силы эти геометрически складывают, — находят результирующую силу. Элементарные частицы тоже взаимодействуют друг с другом согласно Закону Кулона, и по сей день не замечено никаких нарушений этого фундаментального закона электростатики.

Применение Закона Кулона в электротехнике

В современной электротехнике нет области, где в том или ином виде не работал бы Закон Кулона. Начиная с электрического тока, заканчивая просто заряженным конденсатором. Особенно те области, которые касаются электростатики, — они на 100% связаны с Законом Кулона. Рассмотрим только несколько примеров.

Простейший случай — введение диэлектрика. Сила взаимодействия зарядов в вакууме всегда больше силы взаимодействия тех же зарядов в условиях, когда между ними расположен какой-то диэлектрик.

Диэлектрическая проницаемость среды — это как раз та величина, которая позволяет количественно определить значения сил, независимо от расстояния между зарядами и от их величин. Достаточно силу взаимодействия зарядов в вакууме разделить на диэлектрическую проницаемость внесенного диэлектрика — получим силу взаимодействия в присутствии диэлектрика.

Сложное исследовательское оборудование — ускоритель заряженных частиц. Базируется работа ускорителей заряженных частиц на явлении взаимодействия электрического поля и заряженных частиц. Электрическое поле совершает в ускорителе работу увеличивая энергию частицы.

Если рассмотреть здесь ускоряемую частицу как точечный заряд, а действие ускоряющего электрического поля ускорителя — как суммарную силу со стороны других точечных зарядов, то и в этом случае полностью соблюдается Закон Кулона. Магнитное поле лишь направляет частицу силой Лоренца, но не изменяет её энергии, только задаёт траекторию для движения частиц в ускорителе.

Защитные электротехнические сооружения. Важные электроустановки всегда оснащаются такой простой на первый взгляд вещью, как молниеотвод. А молниеотвод в своей работе тоже не обходится без соблюдения Закона Кулона. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды — согласно Закону Кулона притягиваются в направлении грозового облака. На поверхности Земли возникает в результате сильное электрическое поле.

Напряжённость этого поля особенно велика возле острых проводников, и поэтому на заостренном конце молниеприемника зажигается коронный разряд — заряд из Земли стремится, повинуясь Закону Кулона, притянуться к противоположному заряду грозового облака.

Воздух вблизи молниеотвода в результате коронного разряда сильно ионизируется. Вследствие этого напряжённость электрического поля вблизи острия уменьшается (как и внутри любого проводника), индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и вероятность возникновения молнии снижается. Если же молния, так случится, ударит в молниеотвод, то заряд просто уйдет в Землю, не повредит установку.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Закон Кулона — методы открытия и границы применения

Заряды и электричество – это термины, обязательные для тех случаев, когда наблюдается взаимодействие заряженных тел. Силы отталкивания и притяжения словно исходят от заряженных тел и распространяются одновременно во всех направлениях, постепенно затухая на расстоянии. Эту силу в свое время открыл известный французский естествоиспытатель Шарль Кулон, и правило, которому подчиняются заряженные тела, с тех пор называется Закон Кулона.

Шарль Кулон

Французский ученый родился во Франции, где получил блестящее образование. Он активно применял полученные знания в инженерных науках и внес значительный вклад теорию механизмов. Кулон является автором работ, в которых изучалась работа ветряных мельниц, статистика различных сооружений, кручение нитей под влиянием внешних сил. Одна из этих работ помогла открыть закон Кулона-Амонтона, объясняющий процессы трения.

Предыстория

Силы притяжения и отталкивания, с которыми электрические заряды действуют друг на друга, направлены вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. С увеличением расстояния эта сила ослабевает. Спустя столетие после того, как Исаак Ньютон открыл свой всемирный закон тяготения, французский ученый Ш. Кулон исследовал экспериментальным путем принцип взаимодействия между заряженными телами и доказал, что природа такой силы аналогична силам тяготения. Более того, как оказалось, взаимодействующие тела в электирическом поле ведут себя так же, как и любые тела, обладающие массой, в гравитационном поле.

Прибор Кулона

Схема прибора, при помощи которого Шарль Кулон делал свои измерения, приведена на рисунке:

Как можно видеть, по существу эта конструкция не отличается от того прибора, которым в свое время Кавендиш измерял величину гравитационной постоянной. Изолирующий стержень, подвешенный на тонкой нити, заканчивается металлическим шариком, которому сообщен определенный электрический заряд. К шарику приближают другой металлический шарик, а затем, по мере сближения, измеряют силу взаимодействия по степени закручивания нити.

Эксперимент Кулона

Кулон предположил, что к силе, с которой закручивается нить, можно применить уже известный тогда Закон Гука. Ученый сравнил изменение силы при различной дистанции одного шарика от другого и установил, что сила взаимодействия изменяет свое значение обратно пропорционально квадрату дистанции между шариками. Кулон сумел изменять значения заряженного шарика от q до q/2, q/4, q/8 и так далее. При каждом изменении заряда сила взаимодействия пропорционально меняла свое значение. Так, постепенно, было сформулировано правило, которое впоследствии было названо «Закон Кулона».

Определение

Экспериментальным путем французский ученый доказал, что силы, с которыми взаимодействуют два заряженных тела, пропорциональны произведению их зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между зарядами. Это утверждение и представляет собой закон Кулона. В математическом виде он может быть выражен так:

В этом выражении:

• q- количество заряда;
• d — расстояние между заряженными телами;
• k- электрическая постоянная.

Значение электрической постоянной во многом зависит от выбора единицы измерения. В современной системе величина электрического заряда измеряется в кулонах, а электрическая постоянная, соответственно, в ньютон×м 2 / кулон 2 .

Последние измерения показали, что данный коэффициент должен учитывать диэлектрическую проницаемость среды, в которой проводится опыт. Сейчас величину показывают в виде соотношения k=k ₁ /e, где к₁ является уже знакомой нам электрической константой, а не является показателем диэлектрической проницаемости. В условиях вакуума эта величина равна единице.

Выводы из закона Кулона

Ученый экспериментировал с различной величиной зарядов, проверяя взаимодействие между телами с различной величиной заряда. Разумеется, измерить электрический заряд в каких-либо единицах он не мог – не хватало ни знаний, ни соответствующих приборов. Шарль Кулон смог разделять снаряд, прикасаясь к заряженному шарику незаряженным. Так он получал дробные значения исходного заряда. Ряд опытов показал, что электрический заряд сохраняется, происходит обмен без увеличения или уменьшения количества заряда. Этот фундаментальный принцип лег в основу закона сохранения электрического заряда. В настоящее время доказано, что этот закон соблюдается и в микромире элементарных частиц и в макромире звезд и галактик.

Условия, необходимые для выполнения закона Кулона

Для того чтобы закон выполнятся с большей точностью, необходимо выполнение следующих условий:

• Заряды должны быть точечными. Другими словами, дистанция между наблюдаемыми заряженными телами должна быть намного больше их размеров. Если заряженные тела имеют сферическую форму, то можно считать, что весь заряд находится в точке, которая является центром сферы.
• Измеряемые тела должна быть неподвижными. Иначе на движущийся заряд будут влиять многочисленные сторонние факторы, например, сила Лоренца, которая придает заряженному телу дополнительное ускорение. А также магнитное поле движущегося заряженного тела.
• Наблюдаемые тела должны находиться в вакууме, чтобы избежать воздействия потоков воздушных масс на результаты наблюдений.

Закон Кулона и квантовая электродинамика

С точки зрения квантовой электродинамики взаимодействие заряженных тел происходит посредством обмена виртуальными фотонами. Существование таких ненаблюдаемых частиц и нулевой массы, но не нулевыго заряда косвенно подтверждается принципом неопределенности. Согласно этому принципу, виртуальный фотон может существовать между мгновениями испускания такой частицы и ее поглощения. Чем меньше расстояние между телами, тем меньше времени затрачивает фотон на прохождение пути, следовательно, тем больше энергия испускаемых фотонов. При небольшой дистанции между наблюдаемыми зарядами принцип неопределенности допускает обмен и коротковолновыми и длинноволновыми частицами, а при больших расстояниях коротковолновые фотоны в обмене не участвуют.

Есть ли пределы применения закона Кулона

Закон Кулона полностью объясняет поведение двух точечных зарядов в вакууме. Но когда речь идет о реальных телах, следует принимать во внимание объемные размеры заряженных тел и характеристики среды, в которой ведется наблюдение. Например, некоторые исследователи наблюдали, что тело, несущее в себе небольшой заряд и принудительно внесенное в электрическое поле другого объекта с большим зарядом, начинает притягиваться к этому заряду. В этом случае утверждение, что одноименно заряженные тела отталкиваются, дает сбой, и следует искать другое объяснение наблюдаемому явлению. Скорее всего, здесь не идет речь о нарушении закона Кулона или принципа сохранения электрического заряда – возможно, что мы наблюдаем неизученные до конца явления, объяснить которые наука сможет немного позже.

Определение и формула закона Кулона

Закон Кулона — закон в физике, который описывает взаимосвязь двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме.

Рассмотри формулу закона Кулона. Сила, действующая на заряд q1, действует и на заряд q2. Согласно закону эта сила может быть найдена по следующей формуле:

F → 12 = 1 4 π e 0 × q 1 × q 2 ( r 2 → — r 1 ) → ∣ r 2 → — r 1 → ∣ 3

В данной формуле:

• ∣ r 2 → — r 1 → ∣ = r 12 служит для обозначения расстояния между зарядами;
• r 1 → и r 2 → являются векторами-радиусами;
• e 0 — постоянная электрическая величина.

В научной среде также понимают под законом Кулона формулу для расчета электрического поля для точечного заряда. Вот так выглядит формула:

E → ( r 0 → ) = 1 4 π e 0 ∫ V ( r 0 → — r → ) ρ ( r → ) d V ∣ r 0 → — r → ∣ 3

В данной формуле:

• показатель r → 0 — показатель радиуса-вектора точки, в которой находится поле;
• r → является радиусом-вектором элемента объема dV;
• d q = d p = ρ d V заряд этого элемента совершает вклад в электрическое поле;
• ρ является показателем плотности заряда.

Перейдем к истории открытия закона Кулона.

Важно понимать, что взаимосвязь электрических зарядов изучали многие ученые еще до Шарля Кулона. Например, английский ученый-физик Генри Кавендиш в ходе своих экспериментов пришел к мысли о том, что неподвижные заряды в процессе взаимодействия подвергаются воздействию какого-то физического закона. Но его исследования, а также мысли не были опубликованы.

Закон Кулона был открыт повторно французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году.

До Шарля Кулона экспериментами с заряженными частицами были проведены множеством других ученых. Среди них, например, были Г.В. Рихман, Ф. Эпинус, Д. Бернулли, Джозеф Пристли, Джон Робисон и тд.

В 1752-1753 годах русский ученый немецкого происхождения Г. В. Рихман хотел начать проводить эксперименты с законом взаимодействия электрически заряженных тел. Ученый хотел использовать для опытов аппарат, который сам сконструировал. Этим аппаратом был электрометр-«указатель». Но, к сожалению, начать работу не удалось, потому что ученый скончался.

После смерти Рихмана на кафедру физики Санкт-Петербургской академии наук в 1759 году пришел профессор Ф. Эпинус, который сделал предположение, что заряды могут взаимодействовать обратно пропорциональной расстоянию в квадрате.

В 1760 году появились новости о том, что швейцарский ученый Д. Бернулли из города Базель определил квадратичный закон, используя сконструированный ученым электрометр.

В 1767 году другой физик, Пристли, в книге «История электричества» подчеркнул, что эксперимент Франклина, который обнаружил отсутствие электрического поля внутри шара из металла, может значить то, что электрическая сила притяжения подчиняется таким же законам, что и сила тяжести, а значит — зависит от расстояния в квадрате между зарядами.

Джон Робисон, шотландец по происхождению, утверждал в 1822 году, что в 1769 году ему удалось обнаружить, что шарики с идентичным электрическим зарядом с силой отталкиваются (обратно пропорционально расстоянию в квадрате между этими телами). Таким образом мысли Джона Робинсона предвосхитили открытие Шарлем Кулоном закона, названного в его честь.

За 11 лет до опытов Кулона, примерно в 1771 году, закон взаимосвязи зарядов был открыт Г. Кавендишем, но результат его исследований не публиковался. Примерно 100 лет мир не видел результатов его трудов. Его труды получил Дж. Максвелл в 1874 году, а опубликованы в 1879 году.

Данные ученые были близки к тому, чтобы открыть закон Кулона, но им мешало одно — никто из них не мог математически объяснить свои мысли. Они, конечно, следили за взаимосвязью заряженных шариков, но никак не могли найти закономерность в процессе.

Шарль Кулон проводил самые тщательные измерения величин сил этого взаимодействия. Им для этого даже был сконструирован особенный прибор, который назывался крутильные весы.

Вы можете видеть фото устройства ниже:

Главной особенностью весов Кулона была их особенно высокая степень чувствительность. Его прибор мог реагировать на силы, которые составляли порядка 10 — 18 Н . Коромысло у этих весов даже под воздействием небольшой силы могло поворачиваться на 1 градус. Ученый мог по своему желанию менять угол поворота, а это значит, что и менять силу, которую приложена. Таким образом измерения становились намного точнее.

Благодаря этому прибору ученый смог выявить, что при взаимодействии незаряженного и заряженного шариков электрический заряд делится между этими шариками поровну. На это взаимодействие сразу же реагировало его гениальное устройство, коромысло которого поворачивалось на определенный угол. В процессе замедления неподвижного шарика, Кулону удалось нейтрализовать на этом шарике полученный им заряд.

Так Шарль Кулон смог уменьшить изначальный заряд подвижного шарика в несколько раз. При измерении угла в процессе его отклонения после каждого деления заряда, ученый проследил закономерности в действии отталкивающей силы. Эти наблюдения помогли ему сформулировать его знаменитый закон.

Закон Кулона — первый открытый количественный и сформулированный на языке математики базой закон для электромагнитных явлений. С закона Кулона берет начало современное развитие науки об электромагнетизме.

Краткая формулировка, где применяется

Кулоном было исследовано взаимодействие между шарами очень маленьких размеров (по сравнению с тем расстоянием, что было между ними). В физике принято называть эти заряженные тела точечными.

Точечные тела — такие заряженные тела, размерами которых в рамках эксперимента возможно пренебречь.

Для точечных зарядов будет справедливым данное утверждение: силы взаимосвязи между этими зарядами направлены по линии, которая проходит через все центры тел с зарядом. Абсолютное значение каждой силы будет прямо пропорционально произведению определенных зарядов, а также обратно пропорциональна расстоянию в квадрате между этими зарядами.

Посмотрите на формулу закона Кулона:

∣ F 1 ∣ = ∣ F 2 ∣ = k e ∣ q 1 × q 2 ∣ r 2

В данной формуле:

• показатель q 1 является показателем первого точечного заряда;
• q 2 — показатель второго точечного заряда;
• показатель r указывает на величину расстояния между телами;
• k является постоянным коэффициентом.

Что такое коэффициент k?

В формуле закона Кулона находится коэффициент пропорциональности «k», который используется для того, чтобы согласовать соразмерности в системе СИ. В данной системе единица измерения заряда — кулон (сокращенно Кл).

Кулон — заряд, проходящий за 1 секунду времени через проводник, сила тока в котором составляет 1 А.

Показатель k выражается в форме следующей формулы:

В данной формуле e 0 является электрической постоянной.

Ее показатель равен e 0 = 8 , 85 × 10 — 12 К л (в квадрате) H × m 2 .

Вычисляем, чему равен коэффициент k.

Коэффициент k = k = 9 × 10 9 H × m 2 К л 2 . В системе СГС коэффициент k=1 единице.

Векторы сил всегда направлены только друг к другу (справедливо для разноименных зарядов), и противоположны друг к другу, если заряды одноименные.

Между разноименными зарядами действует притяжение электрическое, а одноименные отталкиваются.

Суть закона Кулона в том, что он описывает взаимосвязь двух электрических зарядов, которая является базовой для всех электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы закон Кулона действовал, нужно выполнить ряд физических условий:

1. Соблюсти точечность заряда.
2. Оставить тела с зарядом в неподвижном состоянии.
3. Учесть, что закон описывает взаимосвязь зарядов в вакуумном пространстве.

Где применяется закон Кулона? В описании процессов квантовой механики. Однако, при этом опускается понятие силы. Вместо этого показателя используется показатель потенциальной энергии взаимодействия кулоновских сил.

Важно, что на очень маленьких расстояниях (в процессе взаимодействия элементарных частиц), примерно 10–18 м, начинают появляться электрослабые эффекты. В таких случаях закон Кулона не соблюдается. Формулу закона можно использовать только с учетом некоторых ремарок.

Также нарушение кулоновского закона наблюдается в сильных электромагнитных полях. В этой среде потенциал кулоновский уменьшается экспоненциально, а не обратно пропорционально.

Силы закона Кулона попадают под воздействие третьего ньютоновского закона: F1=-F2. Эти силы часто используются для того, чтобы описать законы всемирного притяжения. В этом случае у закона Кулона следующий вид:

F = ( m 1 × m 2 ) r 2

В данной формуле показатели m1 и m2 являются показателями массы тел, которые взаимодействуют, а r — показатель расстояния между этими телами.

В результате множества опытов было учеными установлено, что силы закона Кулона, как правило суперпозиции электрических полей, в электростатических законах описывают равенства Максвелла.

В случае, если между собой происходит взаимодействие нескольких тел с зарядом, в рамках замкнутой системы результирующая сила взаимовлияния будет равна векторной сумме всех этих тел с зарядами. В этой системе электрические заряды не могут исчезнуть — они просто передаются от одного тела к другому.

Физический смысл, что можно определить с его помощью

Сила взаимодействия F между двумя неподвижными телами с зарядом (q1 и q2), находящимися в вакуумном пространстве, является прямо пропорциональной произведению модулей данных зарядов и обратно пропорциональной расстоянию r в квадрате (r²). Это формула для материальных точек.

Практическая вся электротехника в современном мире строится на законах взаимодействия сил закона Кулона. Благодаря тому, что Кулон открыл свой закон начала развиваться наука, которая изучает электромагнитные взаимосвязи.

Также электрическое поле базируется на представлении о силах закона Кулона. Доказано, что электрическое поле неделимо связано с зарядами простейших частиц.

Облака в грозу — скопление зарядов электрических. Индуцированные заряды с поверхности земли притягиваются к ним, поэтому появляются молнии. Открытие закона Кулона позволило создать эффективные отводы для молний, чтобы защитить многие здания и электротехнические постройки.

На основе законов электростатики было изобретено множество нужных в жизни и в производстве вещей. Например:

1. Конденсатор.
2. Самые разные диэлектрики.
3. Материалы-антистатики для того, чтобы защитить чувствительные детали электроники.
4. Производство одежды для защиты сотрудников электронной промышленности и т.д.

Также на основе закона Кулона формируется работа ускорителей частиц с зарядом. В частности, можно говорить о том, что закон Кулона помогает функционировать Большому адронному коллайдера.

Ускорение заряженных частиц до скоростей, близких к околосветовым, происходит за счет воздействия электромагнитного поля, которое создается катушками, расположенными вдоль трассы. От столкновения происходит распад простейших частиц, следы которых закрепляются электронными приборами. На основании данных показаний, с помощью закона Кулона, ученые могут сделать вывод о структуре элементарных частиц материи.

Формула Кулона для среды

Стоит отметить, что закон Кулона может быть применим для вычисления взаимосвязи точечных зарядов и шарообразных тел при распределении зарядов равномерно по их объему и поверхности.

В результате экспериментов было доказано, что при всех равных показателях сила электростатического взаимодействия будет зависеть от среды, в которой существуют данные заряды. Коэффициент пропорциональности k в кулоновском законе будет представлен в виде: k = k 1 e .

В данной формуле:

• k 1 — коэффициент, зависящий только от того, какую систему единиц вы выберете при расчетах;
• e является постоянной величиной, характеризует свойства среды (электрические), носит название «относительная диэлектрическая проницаемость среды». В условиях вакуума e=1.

В системе единиц СИ один заряд (кулон — Кл) будет определяться через единицу силы тока (ампер — А), а также единицу времени (секунда — с).

Таким образом будет выведена формула 1 К л = 1 А × 1 с .

Коэффициент k1 будет определяться в данной системе как:

k 1 = 1 4 π e 0 = 8 , 988 × 10 9 H × m 2 К л 2 .

Показатель электрической постоянной равен e 0 = 8 , 85 × 10 — 12 К л ( в к в а д р а т е ) H × m 2 .

Закон Кулона для однородной и изотропной сред будет писаться в таком виде:

F = 1 4 π e 0 q 1 q 2 e r 2 r 1 r 2

Примеры практического использования

Уже было сказано про то, что закон Кулона повлиял на формирование целого ряда научных дисциплин, помог в производстве разных материалов. В современном мире нет ни одной области электротехники, в которой не работал бы кулоновский закон. Особенно это касается областей электростатики. Их работа напрямую зависит от закона Кулона. Рассмотрим примеры практического использования закона:

Самый простой способ использования данного закона — введение диэлектрика. Сила взаимосвязи зарядов в вакуумном пространстве будет всегда большей по силе, чем взаимосвязь этих же зарядов, но в условиях, когда между зарядами располагается любой диэлектрик.

Диэлектрическая проницаемость среды является той величиной, которая помогает определить силовые значения количественно, не завися от расстояния между этими зарядами, а также от их величины. Будет достаточно разделить силу взаимосвязи зарядов в вакуумном пространстве на диэлектрический показатель проницаемости внесенного диэлектрика — так получится сила взаимосвязи в присутствии любого диэлектрика.

Благодаря закону Кулона стала возможной работа сложных исследовательских комплексов. Например, ускорителя частиц с зарядами. Фундамент работоспособности ускорителей частиц строится на явлении взаимосвязи электрического поля, а также заряженных частиц.

Электрическое поле делает работу в ускорителе, увеличивая постепенно энергию частицы. Можно принять частицу с ускорением за точечный заряд, действие самого ускоряющего электрического поля ускорителя — за сумму сил со стороны всех остальных точечных зарядов. В таком случае закон Кулона полностью можно считать соблюденным.

Также закон Кулона способствует работе защитных сооружений электротехнического толка. У каждой электротехнической станции всегда устанавливается молниеотвод. А его работа невозможно без соблюдений условий закона Кулона.

В период гроз на планете формируются большие индуцированные заряды — по закону Кулона они должны притягиваться по направлению к грозовому облаку. В результате разряда молнии вокруг молниеотвода воздух ионизируется.

Из-за этого напряжение электрического поля рядом с верхушкой острого кончика молниеотвода уменьшается, а индуцированные заряды не накапливаются на поверхности здания, поэтому вероятность повторного попадания молнии снижается. Если молния все же попадет в молниеотвод, то сила заряда будет направлена в землю, что не причинит вред установке.