Coulombův zákon a jeho aplikace v elektrotechnice

Stejně jako v newtonské mechanice dochází vždy ke gravitační interakci mezi tělesy s hmotností, podobně jako v elektrodynamice je elektrická interakce charakteristická pro tělesa s elektrickými náboji. Elektrický náboj je označen symbolem «q» nebo «Q».

Můžeme dokonce říci, že pojem elektrického náboje q v elektrodynamice je poněkud podobný pojmu gravitační hmotnosti m v mechanice. Ale na rozdíl od gravitační hmoty charakterizuje elektrický náboj vlastnost těles a částic vstupovat do elektromagnetických interakcí a tyto interakce, jak víte, nejsou gravitační.

Elektrické náboje

Lidská zkušenost při studiu elektrických jevů obsahuje mnoho experimentálních výsledků a všechny tyto skutečnosti umožnily fyzikům dospět k následujícím jednoznačným závěrům o elektrických nábojích:

1. Elektrické náboje jsou dvojího druhu — podmíněně je lze rozdělit na kladné a záporné.

2.Elektrické náboje lze přenášet z jednoho nabitého předmětu na druhý: například vzájemným kontaktem těles – náboj mezi nimi lze oddělit. Elektrický náboj v tomto případě není vůbec povinnou složkou těla: za různých podmínek může mít stejný předmět náboj různé velikosti a znaménka, nebo nemusí mít náboj žádný. Náboj tedy není něčím, co je vlastní nosiči, a zároveň náboj nemůže existovat bez nosiče.

3. Zatímco gravitující tělesa se vždy přitahují, elektrické náboje se mohou jak přitahovat, tak odpuzovat. Jako náboje se vzájemně přitahují, jako náboje se odpuzují.

Nosiče náboje jsou elektrony, protony a další elementární částice. Existují dva typy elektrických nábojů – kladný a záporný. Kladné náboje jsou ty, které se objevují na skle třeném kůží. Negativní - Náboje vyskytující se na jantaru otřeném srstí. Úřady obviněné ze stejnojmenných obvinění odmítají. Předměty s opačným nábojem se navzájem přitahují.

Zákon zachování elektrického náboje je základním přírodním zákonem, zní takto: «algebraický součet nábojů všech těles v izolované soustavě zůstává konstantní». To znamená, že v uzavřeném systému není možný výskyt nebo zmizení nábojů pouze pro jeden znak.

Algebraický součet nábojů v izolované soustavě je udržován konstantní. Nosiče náboje se mohou pohybovat z jednoho těla do druhého nebo se pohybovat uvnitř těla, v molekule, atomu. Náboj je nezávislý na vztažné soustavě.

Dnes je vědecký názor, že původně nosiče náboje byly elementární částice.Elementární částice neutrony (elektricky neutrální), protony (kladně nabité) a elektrony (záporně nabité) tvoří atomy.

Jádra atomů jsou tvořena protony a neutrony a elektrony tvoří obaly atomů. Moduly nábojů elektronu a protonu jsou stejné velikosti jako elementární náboj e, ale ve znaménku jsou náboje těchto částic vzájemně opačné.

Interakce elektrických nábojů — Coulombův zákon

Pokud jde o přímou interakci elektrických nábojů mezi sebou, pak v roce 1785 francouzský fyzik Charles Coulomb experimentálně stanovil a popsal tento základní zákon elektrostatiky, základní zákon přírody, který nevyplývá z žádných jiných zákonů. Ve své práci vědec studuje interakci stacionárních bodově nabitých těles a měří síly jejich vzájemného odpuzování a přitahování.

Coulomb experimentálně zjistil následující: "Síly interakce stacionárních nábojů jsou přímo úměrné součinu modulů a nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi."

To je formulace Coulombova zákona. A přestože bodové náboje v přírodě neexistují, pouze z hlediska bodových nábojů lze v rámci této formulace Coulombova zákona hovořit o vzdálenosti mezi nimi.

Ve skutečnosti, pokud vzdálenosti mezi tělesy výrazně převyšují jejich velikosti, pak ani velikost, ani tvar nabitých těles nijak zvlášť neovlivní jejich interakci, což znamená, že tělesa pro tento problém lze spravedlivě považovat za bodová.

Podívejme se na příklad. Pověsíme na provázky nabité kuličky.Protože jsou nějakým způsobem nabité, budou se buď odpuzovat, nebo přitahovat. Protože síly směřují podél přímky spojující tato tělesa, jedná se o centrální síly.

Pro označení sil působících na každý z nábojů od druhého napíšeme: F12 je síla druhého náboje na první, F21 je síla prvního náboje na druhý, r12 je vektor poloměru od druhého bodový poplatek do prvního. Pokud mají náboje stejné znaménko, pak síla F12 bude společně směřovat k vektoru poloměru, ale pokud mají náboje různá znaménka, pak síla F12 bude směřovat proti vektoru poloměru.

Pomocí zákona interakce bodových nábojů (Coulombův zákon) lze nyní najít sílu interakce pro jakékoli bodové náboje nebo tělesa bodového náboje. Pokud těla nemají bodový tvar, jsou mentálně rozbita na pastely prvků, z nichž každý lze brát jako bodový náboj.

Po zjištění sil působících mezi všemi malými prvky se tyto síly geometricky sčítají – najdou výslednou sílu. Elementární částice také vzájemně interagují podle Coulombova zákona a dosud nebylo pozorováno žádné porušení tohoto základního zákona elektrostatiky.

Aplikace Coulombova zákona v elektrotechnice

V moderní elektrotechnice neexistuje oblast, kde by Coulombův zákon v té či oné podobě nefungoval. Elektrickým proudem počínaje, jednoduše nabitým kondenzátorem konče. Zejména ty oblasti, které se zabývají elektrostatikou — ty se 100% týkají Coulombova zákona. Podívejme se jen na několik příkladů.

Nejjednodušším případem je zavedení dielektrika.Síla vzájemného působení nábojů ve vakuu je vždy větší než síla vzájemného působení stejných nábojů za podmínek, kdy je mezi nimi umístěno jakési dielektrikum.

Dielektrická konstanta média je přesně ta hodnota, která vám umožňuje kvantitativně určit hodnoty sil, bez ohledu na vzdálenost mezi náboji a jejich velikosti. Interakční sílu nábojů ve vakuu stačí vydělit dielektrickou konstantou vneseného dielektrika — dostaneme interakční sílu v přítomnosti dielektrika.

Sofistikované výzkumné zařízení — urychlovač částic. Činnost urychlovačů nabitých částic je založena na jevu interakce elektrického pole a nabitých částic. Elektrické pole funguje v urychlovači a zvyšuje energii částice.

Uvažujeme-li zde urychlenou částici jako bodový náboj a působení urychlujícího elektrického pole urychlovače jako celkovou sílu od ostatních bodových nábojů, pak je v tomto případě plně dodržen Coulombův zákon Magnetické pole usměrňuje částici pouze přes Lorentzova síla, ale nemění její energii, ale pouze nastavuje trajektorii pohybu částic v urychlovači.

Ochranné elektrické konstrukce. Důležité elektroinstalace jsou vždy vybaveny něčím na první pohled tak jednoduchým, jako je hromosvod. A hromosvod ve své práci také neprojde bez dodržení Coulombova zákona. Během bouřky se na Zemi objevují velké indukované náboje — podle Coulombova zákona jsou přitahovány ve směru bouřkového mraku. Výsledkem je silné elektrické pole na zemském povrchu.

Intenzita tohoto pole je zvláště vysoká v blízkosti ostrých vodičů, a proto se na špičatém konci hromosvodu zapálí koronální výboj — náboj ze Země má tendenci být, podle Coulombova zákona, přitahován opačným nábojem blesku. mrak.

Vzduch v blízkosti hromosvodu je vysoce ionizovaný v důsledku korónového výboje. V důsledku toho se síla elektrického pole v blízkosti hrotu snižuje (stejně jako uvnitř jakéhokoli drátu), indukované náboje se nemohou hromadit na budově a snižuje se pravděpodobnost blesku. Pokud blesk náhodou udeří do hromosvodu, pak náboj jednoduše půjde na Zemi a nepoškodí instalaci.