Coulomb yasası ve elektrik mühendisliğindeki uygulaması

Tıpkı Newton mekaniğinde olduğu gibi, elektrodinamiğe benzer şekilde kütleleri olan cisimler arasında yerçekimi etkileşimi her zaman meydana gelir, elektriksel etkileşim elektrik yüklü cisimlerin karakteristiğidir. Elektrik yükü «q» veya «Q» sembolü ile gösterilir.

Hatta elektrodinamikteki elektrik yükü q kavramının, mekanikteki yerçekimi kütlesi m kavramına biraz benzediğini bile söyleyebiliriz. Ancak yerçekimi kütlesinden farklı olarak, elektrik yükü, cisimlerin ve parçacıkların elektromanyetik etkileşimlere girme özelliğini karakterize eder ve bu etkileşimler, anladığınız gibi, yerçekimi değildir.

elektrik ücretleri

Elektrik olaylarının incelenmesindeki insan deneyimi, birçok deneysel sonuç içerir ve tüm bu gerçekler, fizikçilerin elektrik yükleri hakkında aşağıdaki kesin sonuçlara ulaşmalarına izin verdi:

1. Elektrik yükleri iki tiptir - şartlı olarak pozitif ve negatif olarak ayrılabilirler.

2.Elektrik yükleri, yüklü bir nesneden diğerine aktarılabilir: örneğin, cisimlerin birbiriyle temas etmesiyle - aralarındaki yük ayrılabilir. Bu durumda, elektrik yükü vücudun zorunlu bir bileşeni değildir: farklı koşullar altında, aynı nesne farklı büyüklük ve işarette bir yüke sahip olabilir veya hiç yükü olmayabilir. Dolayısıyla yük, taşıyıcıya içkin bir şey değildir ve aynı zamanda yük, taşıyıcı olmadan var olamaz.

3. Yerçekimi yapan cisimler her zaman birbirini çekerken, elektrik yükleri hem birbirini çekebilir hem de birbirini itebilir. Benzer yükler birbirini çeker, benzer yükler birbirini iter.

Yük taşıyıcılar elektronlar, protonlar ve diğer temel parçacıklardır. Pozitif ve negatif olmak üzere iki tür elektrik yükü vardır. Pozitif yükler, deri ile ovuşturulan camda görünen yüklerdir. Negatif - Kürkle ovuşturulmuş kehribar üzerinde meydana gelen yükler. Yetkililer aynı isimle itham edilen suçlamaları geri püskürtüyor. Zıt yüklü cisimler birbirini çeker.

Elektrik yükünün korunumu yasası, doğanın temel bir yasasıdır, şöyle okunur: "İzole bir sistemdeki tüm cisimlerin yüklerinin cebirsel toplamı sabit kalır". Bu, kapalı bir sistemde, yalnızca bir işaret için ücretlerin ortaya çıkmasının veya kaybolmasının imkansız olduğu anlamına gelir.

Yalıtılmış bir sistemdeki yüklerin cebirsel toplamı sabit tutulur. Yük taşıyıcılar bir vücuttan diğerine hareket edebilir veya bir vücut içinde, bir molekülde, atomda hareket edebilir. Yük, referans çerçevesinden bağımsızdır.

Bugünkü bilimsel görüş, yük taşıyıcıların başlangıçta temel parçacıklar olduğu yönündedir.Temel parçacıklar nötronlar (elektriksel olarak nötr), protonlar (pozitif yüklü) ve elektronlar (negatif yüklü) atomları oluşturur.

Atomların çekirdekleri proton ve nötronlardan, elektronlar ise atomların kabuklarını oluşturur. Bir elektron ve bir protonun yüklerinin modülleri büyüklük olarak temel e yüküne eşittir, ancak işarette bu parçacıkların yükleri birbirine zıttır.

Elektrik Yüklerinin Etkileşimi — Coulomb Yasası

Elektrik yüklerinin birbirleriyle doğrudan etkileşimine gelince, o zaman 1785'te Fransız fizikçi Charles Coulomb deneysel olarak elektrostatiğin bu temel yasasını, başka hiçbir yasayı takip etmeyen doğanın temel yasası olarak belirledi ve tanımladı. Bilim adamı çalışmasında, sabit nokta yüklü cisimlerin etkileşimini inceler ve karşılıklı itme ve çekme kuvvetlerini ölçer.

Coulomb deneysel olarak aşağıdakileri ortaya koydu: "Sabit yüklerin etkileşim kuvvetleri, modüllerin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır."

Coulomb yasasının formülasyonu budur. Ve doğada nokta yükler bulunmasa da, Coulomb yasasının bu formülasyonu dahilinde, yalnızca nokta yükler açısından aralarındaki mesafe hakkında konuşabiliriz.

Aslında, cisimler arasındaki mesafeler boyutlarını önemli ölçüde aşarsa, yüklü cisimlerin ne boyutu ne de şekli etkileşimlerini özellikle etkilemeyecektir, bu da bu problem için cisimlerin oldukça nokta benzeri olarak kabul edilebileceği anlamına gelir.

Bir örneğe bakalım. İplere yüklü toplar asalım.Bir şekilde yüklendikleri için ya iterler ya da çekerler. Kuvvetler, bu cisimleri birleştiren düz bir çizgi boyunca yönlendirildiğinden, bunlar merkezi kuvvetlerdir.

Birbirinden yüklerin her birine etki eden kuvvetleri belirtmek için şunu yazacağız: F12 ikinci yükün birinciye uyguladığı kuvvet, F21 birinci yükün ikinciye uyguladığı kuvvet, r12 ikinciden gelen yarıçap vektörüdür şarjı birinciye yöneltin. Yükler aynı işarete sahipse, o zaman F12 kuvveti birlikte yarıçap vektörüne yönlendirilecektir, ancak yüklerin farklı işaretleri varsa, o zaman F12 kuvveti yarıçap vektörüne yönlendirilecektir.

Nokta yüklerin etkileşim yasası (Coulomb Yasası) kullanılarak, etkileşim kuvveti artık herhangi bir nokta yük veya nokta yük cisimleri için bulunabilir. Vücutlar nokta şeklinde değilse, zihinsel olarak her biri bir nokta yükü olarak alınabilecek pastel elementlere ayrılırlar.

Tüm küçük elemanlar arasında etki eden kuvvetleri bulduktan sonra, bu kuvvetler geometrik olarak toplanır - bileşke kuvveti bulurlar. Temel parçacıklar ayrıca Coulomb yasasına göre birbirleriyle etkileşime girer ve bugüne kadar elektrostatiklerin bu temel yasasının ihlali gözlemlenmemiştir.

Coulomb yasasının elektrik mühendisliğine uygulanması

Modern elektrik mühendisliğinde Coulomb yasasının şu ya da bu şekilde işlemediği hiçbir alan yoktur. Bir elektrik akımıyla başlayıp, basit şarjlı bir kondansatörle bitiyor. Özellikle elektrostatikle ilgili alanlar — Coulomb yasasıyla %100 ilişkilidir. Sadece birkaç örneğe bakalım.

En basit durum, bir dielektrik kullanılmasıdır.Boşluktaki yüklerin etkileşim kuvveti, aralarına bir tür dielektrik yerleştirildiğinde koşullar altında her zaman aynı yüklerin etkileşim gücünden daha büyüktür.

Bir ortamın dielektrik sabiti, tam olarak, yükler ve büyüklükleri arasındaki mesafeye bakılmaksızın kuvvetlerin değerlerini nicel olarak belirlemenizi sağlayan değerdir. Yüklerin etkileşim kuvvetini bir vakumda verilen dielektrik sabitinin dielektrik sabitine bölmek yeterlidir - bir dielektrik varlığında etkileşim kuvvetini elde ederiz.

Sofistike araştırma ekipmanı — bir parçacık hızlandırıcı. Yüklü parçacık hızlandırıcıların çalışması, bir elektrik alanı ile yüklü parçacıkların etkileşimi olgusuna dayanır. Elektrik alan, hızlandırıcıda işleyerek parçacığın enerjisini artırır.

Burada hızlandırılmış parçacığı bir nokta yük olarak ve hızlandırıcının hızlanan elektrik alanının eylemini diğer nokta yüklerin toplam kuvveti olarak düşünürsek, bu durumda Coulomb yasası tam olarak gözlenir.Manyetik alan parçacığı yalnızca içinden yönlendirir. Lorentz kuvveti, ancak enerjisini değiştirmez, yalnızca hızlandırıcıdaki parçacıkların hareketi için yörüngeyi belirler.

Koruyucu elektrik yapıları. Önemli elektrik tesisatları her zaman ilk bakışta paratoner kadar basit bir şeyle donatılır. Ve paratoner de işinde Coulomb yasasına uymadan geçmiyor. Fırtına sırasında, Dünya'da büyük indüklenmiş yükler ortaya çıkar - Coulomb yasasına göre, fırtına bulutu yönünde çekilirler. Sonuç, dünya yüzeyinde güçlü bir elektrik alanıdır.

Bu alanın yoğunluğu keskin iletkenlerin yakınında özellikle yüksektir ve bu nedenle paratonerin sivri ucunda bir koronal deşarj ateşlenir - Dünya'dan gelen yük, Coulomb yasasına uyarak yıldırımın zıt yükü tarafından çekilme eğilimindedir. bulut.

Paratoner yakınındaki hava, korona deşarjının bir sonucu olarak yüksek oranda iyonize olur. Sonuç olarak, ucun yakınındaki elektrik alanın gücü azalır (herhangi bir telin içinde olduğu gibi), indüklenen yükler bina üzerinde birikemez ve yıldırım olasılığı azalır. Yıldırım çubuğuna yıldırım düşerse, şarj basitçe Dünya'ya gidecek ve tesisata zarar vermeyecektir.