Что гласит закон Кулона?

Что ни говорите, а электричество было одним из величавших изобретений человечества, по значимости в истории его можно поставить наряду с появлением колеса, приручением лошади и так далее. Ведь не будь изобретено электричество, Вы бы попросту не читали этот текст, да и пути науки и техники пошли бы по совсем другому маршруту.

Что же касается электричества, то его явление в природе люди заметили уже очень давно, например, волосы человека могут электризоваться после их трения расческой, по сути это является самым простым примером электростатики.Электризация происходит за счет существования положительных (+) и отрицательных (-) зарядов, возникающих во время трения (волос об расческу, стекла об кожу, янтаря об шерсть и так далее). Между зарядами возникает электрическое поле, сами они в зависимости от своих зарядов либо притягиваются (если заряды разные), либо наоборот отталкиваются (если заряды одинаковые). (К слову если вы наберете в Гугле, что-то вроде «паяльная станция стоимость», то ваш поисковый запрос будет весьма близок, в том числе и к электростатике).

Что такое электростатика

Электростатика – это раздел физики, в котором изучаются свойства и взаимодействия электрических заряженных тел либо частичек (тех, что из абзаца выше), при этом частицы эти являются неподвижными относительно инерциальной системы.

Закон Кулона

Одним из основных законов электростатики является закон Кулона, экспериментально доказанный великим физиком Кавендишем в 1773 году. Он гласит, что сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это академическое определение закона Кулона, в практической же сфере этот закон помог объяснить, почему внутри заряженной сферы электрическое поле отсутствует.

Формула закона Кулона будет выглядеть следующим образом:

Где |q1| и |q2| — модули зарядов; r — расстояние между ними; k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды. Сила взаимодействие также может зависеть от среды между заряженными телами, так в воздухе она почти такая же, как и в вакууме.

Электростатика, видео

И в завершение интересное видео об электростатике.

Закон Кулона- это основа электростатики, знание формулировки и основной формулы, описывающей данный закон необходимо также для изучения раздела “Электричество и магнетизм”.

Закон Кулона

Закон, который описывает силы электрического взаимодействия между зарядами, открыл в 1785 году Шарль Кулон, проводивший многочисленные опыты с металлическими шариками. Одна из современных формулировок закона Кулона звучит следующим образом:

«Сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если заряды разных знаков, то они притягиваются, а если одного – отталкиваются.»

Формула, иллюстрирующая данный закон:

*Второй множитель (в котором присутствует радиус-вектор) нужен исключительно для определения направления воздействия силы.

F12– сила, которая действует на 2-й заряд со стороны первого;

q1и q2- величины зарядов;

r12– расстояние между зарядами;

k– коэффициент пропорциональности:

ε0– электрическая постоянная, иногда ее называют диэлектрической проницаемостью вакуума. Примерно равна 8,85·10-12Ф/м или Кл2/(H·м2).

ε– диэлектрическая проницаемость среды (для вакуума равна 1).

Следствия из закона Кулона

существует два вида зарядов – положительные и отрицательныеодинаковые заряды отталкиваются, а разные – притягиваютсязаряды могут передаваться от одного к другому, так как заряд не является постоянной и неизменной величиной. Он может изменяться в зависимости от условий (среды), в которых находится заряддля того, чтобы закон был верным, необходимо учитывать поведение зарядов в вакууме и их неподвижность

Наглядное представление закона Кулона:

Закон сохранения зарядов

Закон сохранения зарядовгласит, что заряды не появляются из неоткуда и не исчезают в никуда, а просто переходят от одного к другому или, выражаясь более научным языком – для замкнутой системы алгебраическая сумма зарядов всегда остается постоянной.

Понравилась статья, расскажите о ней друзьям:

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел.

Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними.

Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).Электрический заряд– это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними.

Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:\[ F = k \cdot \dfrac{\left|q_1 \right| \cdot \left|q_2 \right|}{r^2} \]Коэффициент пропорциональности kв законе Кулона зависит от выбора системы единиц.\[ k=\frac{1}{4\pi \varepsilon _0} \]Полная формула закона Кулона:\[ F = \dfrac{\left|q_1 \right|\left|q_2 \right|}{4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon r^2} \]Где :\( F \) — Сила Кулона\( q_1 q_2 \) — Электрический заряд тела\( r \) — Расстояние между зарядами\( \varepsilon_0 = 8,85*10^{-12} \) — Электрическая постоянная\( \varepsilon \) — Диэлектрическая проницаемость среды\( k = 9*10^9 \) — Коэффициент пропорциональности в законе КулонаСилы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:\( \vec{F}_{12}=\vec{F}_{21} \) . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.Электрический заряд обычно обозначается буквами qили Q.Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому.

В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных.

Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:Точечность зарядов— то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.Неподвижность зарядов.

Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд .Взаимодействие зарядов в вакууме.В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).Кулон – это заряд, проходящий за 1 счерез поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.Заряженный шарик приводят в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком. Находясь на расстоянии \( r = 15 \) см, шарики отталкиваются с силой \( F = 1 \) мН.

Каков был первоначальный заряд заряженного шарика?При соприкосновении заряд разделится ровно пополам (шарики одинаковые).По данной силе взаимодействия можем определить заряды шариков после соприкосновения (не забудем, что все величины надо представить в единицах СИ – \( F = 10^{-3} \) Н, \( r = 0.15 \) м):\( F = \dfrac{k\cdot q^2}{r^2} , q^2 = \dfrac{F\cdot r^2}{k} \)\( k=\dfrac{1}{4\cdot \pi \cdot \varepsilon _0} = 9\cdot 10^9 \)\( q=\sqrt{\dfrac{f\cdot r^2}{k} } = \sqrt{\dfrac{10^{-3}\cdot (0.15)^2 }{9\cdot 10^9} } = 5\cdot 10^8 \)Тогда до соприкосновения заряд заряженного шарика был вдвое больше: \( q_1=2\cdot 5\cdot 10^{-8}=10^{-7} \)\( q_1=10^{-7}=10\cdot 10^{-6} \) Кл, или 10 мкКл.Два одинаковых маленьких шарика массой по 0,1г каждый подвешены на непроводящих нитях длиной \( \displaystyle{\ell = 1\,{\text{м}}} \) к одной точке. После того как шарикам были сообщены одинаковые заряды \( \displaystyle{q} \) , они разошлись на расстояние \( \displaystyle{r=9\,{\text{см}}} \) . Диэлектрическая проницаемость воздуха \( \displaystyle{\varepsilon=1} \) .

Определить заряды шариков.\( \displaystyle{m=0,1\,{\text{г}}=10^{-4}\,{\text{кг}}} \)\( \displaystyle{\ell=1\,{\text{м}}} \)\( \displaystyle{r=9\,{\text{см}}=9\cdot 10^{-2}\,{\text{м}}} \)\( \displaystyle{\varepsilon = 1} \)\( \displaystyle{q} – ? \)Поскольку шарики одинаковы, то на каждый шарик действуют одинаковые силы: сила тяжести \( \displaystyle{m \vec g} \), сила натяжения нити \( \displaystyle{\vec T} \)и сила кулоновского взаимодействия (отталкивания) \( \displaystyle{\vec F} \). На рисунке показаны силы, действующие на один из шариков.

Поскольку шарик находится в равновесии, сумма всех сил, действующих на него, равна 0. Кроме того, сумма проекций сил на оси \( \displaystyle{OX} \) и \( \displaystyle{OY} \)равна 0:\( \begin{equation} {{\mbox{на ось }} {OX} : \atop { \mbox{ на ось }} {OY} : }\quad \left\{\begin{array}{ll} F-T\sin{\alpha} & =0 \\ T\cos{\alpha}-mg & =0 \end{array}\right. \quad{\text{или}}\quad \left\{\begin{array}{ll} T\sin{\alpha} & =F \\ T\cos{\alpha} & = mg \end{array}\right.

\end{equation} \)Решим совместно эти уравнения. Разделив первое равенство почленно на второе, получим:\( \begin{equation} {\mbox{tg}\,}= {F\over mg}\,. \end{equation} \)Так как угол \( \displaystyle{\alpha} \) мал, то\( \begin{equation} {\mbox{tg}\,}\approx\sin{\alpha}={r\over 2\ell}\,.

\end{equation} \)Тогда выражение примет вид:\( \begin{equation} {r\over 2\ell}={F\over mg}\,. \end{equation} \)Сила \( \displaystyle{F} \)по закону Кулона равна: \( \displaystyle{F=k{q^2\over\varepsilon r^2}} \). Подставим значение \( \displaystyle{F} \)в выражение (52):\( \begin{equation} {r\over 2\ell}={kq^2\over\varepsilon r^2 mg}\,, \end{equation} \)откуда выразим в общем виде искомый заряд:\( \begin{equation} q=r\sqrt{r\varepsilon mg\over 2k\ell}\,.

\end{equation} \)После подстановки численных значений будем иметь:\( \begin{equation} q= 9\cdot 10^{-2}\sqrt{9\cdot 10^{-2}\cdot 1 \cdot 10^{-4}\cdot 9,8\over 2\cdot 9\cdot 10^9\cdot 1}\, {{\text{Кл}}}=6.36\cdot 10^{-9}\, {{\text{Кл}}}\,. \end{equation} \)Предлагается самостоятельно проверить размерность для расчетной формулы .Ответ: \( \displaystyle{q=6,36\cdot 10^{-9}\,{\text{Кл}}\,.} \)\( \displaystyle{q=6,36\cdot 10^{-9}\,{\text{Кл}}\,.} \)Какую работу надо совершить, чтобы перенести точечный заряд \( \displaystyle{q=6\,{\text{нКл}}} \) из бесконечности в точку, находящуюся на расстоянии \( \displaystyle{\ell = 10\,{\text{см}}} \) от поверхности металлического шарика, потенциал которого \( \displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \), а радиус \( \displaystyle{R = 2\,{\text{см}}} \)? Шарик находится в воздухе (считать \( \displaystyle{\varepsilon=1} \)).\( \displaystyle{q=6\,{\text{нКл}}=6\cdot 10^{-9}\,{\text{Кл}}} \)\( \displaystyle{\ell=10\,{\text{см}}} \)\( \displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)\( \displaystyle{R=2\,{\text{см}}} \) \( \displaystyle{\varepsilon = 1} \) \( \displaystyle{A} \) – ?Работа, которую необходимо совершить, чтобы перенести заряд из точки с потенциалом \( \displaystyle{\varphi_1} \) в точку с потенциалом \( \displaystyle{\varphi_2} \) , равна изменению потенциальной энергии точечного заряда, взятому с обратным знаком:\( \begin{equation} A=-\Delta W_n\,.

\end{equation} \)Известно, что \( \displaystyle{A=-q(\varphi_2-\varphi_1) } \) или\( \begin{equation} A=q(\varphi_1-\varphi_2) \,. \end{equation} \)Поскольку точечный заряд первоначально находится на бесконечности, то потенциал в этой точке поля равен 0: \( \displaystyle{\varphi_1=0} \) .Определим потенциал в конечной точке, то есть \( \displaystyle{\varphi_2} \) .Пусть \( \displaystyle{Q_{\text{ш}}} \) – заряд шарика. По условию задачи потенциал шарика известен (\( \displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \) ) , тогда:\( \begin{equation} \varphi_{\text{ш}}={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R}\,, \end{equation} \)\( \begin{equation} {\text{откуда}}\quad Q_{\text{ш}}=\varphi_{\text{ш}}\cdot 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R\,.

\end{equation} \)Значение потенциала поля в конечной точке с учетом :\( \begin{equation} \varphi_2={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon(R+\ell) }= {\varphi_{\text{ш}}R\over (R+\ell) }\,. \end{equation} \)Подставим в выражение значение \( \displaystyle{\varphi_1} \) и \( \displaystyle{\varphi_2} \) , после чего получим искомую работу:\( \begin{equation} A=-q{\varphi_{\text{ш}}R\over (R+\ell) }\,. \end{equation} \)В результате расчетов получим: \( \displaystyle{A=-2\cdot 10^{-7}\,{\text{Дж}}} \) .Знак “\( \displaystyle{-} \) ” показывает, что работа производится против сил электростатического поля, при этом энергия заряда увеличивается.\( \displaystyle{A=-2\cdot 10^{-7}\,{\text{Дж}}} \) .Три шарика соединены между собой одинаковыми резиновыми шнурами так, что получился правильный треугольник.

Система лежит на гладком горизонтальном столе. Какие одинаковые заряды надо сообщить шарикам, чтобы площадь треугольника увеличилась в 4 раза? Коэффициент жесткости каждого шнура \( k \), начальная длина \( l \).Площадь изменяется пропорционально квадрату коэффициента подобия, поэтому, если площадь выросла вчетверо, то, следовательно, длина шнура увеличилась вдвое: \( l_1=2 \cdot l \) .Тогда модуль силы взаимодействия между соседними зарядами равен:\( F = \dfrac{k\cdot q^2}{l^{2}_{1}} =\Delta l\cdot k_{pr} \)Причем удлинение шнура равно: \( \Delta l = l \).Откуда величина заряда равна:\( q=\sqrt{\frac{4\cdot l^3\cdot k_{pr}}{k} } \)\( q=2\cdot l\cdot \sqrt{\frac{l\cdot k_{pr}}{k} } \)\( q=2\cdot l\cdot \sqrt{\frac{l\cdot k_{pr}}{k} } \)

Электростатикой называется учение о наэлектризованных телах и силах взаимо­действия между ними при условии, что тела и заряды остаются неподвижными друг относительно друга. Совокупность электрических сил, созданных неподвижными за­рядами, называется электростатическим полем.Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.Электростатическое поле может существовать только в диэлектриках, так как создание поля в проводнике вызовет перемещение зарядов (электрический ток), т. е.

нарушит электростатическое состояние.Закон Кулона: два заряда, находящиеся в однородной среде и отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, действуют друг на друга с силой, пропорцио­нальной произведению этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстоя­ния между ними:F = K(Q1 x Q2) : R2где F — сила взаимодействия (Н),К = 1 : 4?є (здесь є = є0є ‘ — диэлектрическая проницаемость среды, ф/м),Q1 и Q2— заряды(Кл),R – расстояние между зарядами (m),Взаимодействие одноименных зарядов выражается в их взаимном отталкивании с силой F, а разноименных — в притяжении с той же силой. При заряде, равном 1 Кл и действующем на равный ему заряд, находящийся на расстоянии 1 м, имеет место взаимодействие с силой 1 Н. Заряд в 1 Кл ра­вен заряду 6.28 x 1018 элек­тронов.

Величина заряда в 1 Кл является единицей количества электричества в системе единиц МКСА.Напряженность поля характеризует элек­трическое поле, под кото­рым понимается некоторая область пространства, где действуют силы, созданные неподвижными зарядами. Электрическое поле может существовать только в диэлектриках, так как созда­ние поля в проводнике при­водит к перемещению заря­дов, т. е.

вызывает электри­ческий ток. Численно вели­чина напряженности поля определяется отношением силы, действующей в дан­ной точке поля на заряд, к величине заряда:E = (F : Q) = Q : 4?єR2(в/м),где Е — напряженность по­ля (В/м),Q – заряд, создающий поле (Кл),R — расстояние (м),Электрическая прочность изоляционных материалов.Предельное значение напряженности поля, при котором наступает пробой диэлектрика, называется электрической прочностью.Электрическая прочность обычно выражается в киловольтах на миллиметр (кВ/мм) и является весьма важной характеристикой изоляционных материалов. Зна­чения электрической прочности для ряда материалов, применяемых в электротехнике, приводятся на рис.

1. Конденсатор представляет собой систему, состоящую из металлических проводящих пластин (электродов) и изолирующего материала (диэлектрика) между ними.Конденсатор является прибором для накопления электричества. Если подключить конденсатор к источнику постоянного тока, то он зарядится и на его электродах будут сосредоточиваться равные и противоположные по знаку заряды.

После отклю­чения конденсатора от источника тока он сохраняет запас электрической энергии, которую можно получить от конденсатора как от источника тока.Емкость конденсатора определяется величиной, измеряемой отношением заряда на одном из его электродов к напряжению между электродами:С = Q : U,где  С – емкость конденсатора (ф или к/в),Q – заряд на одном из электродов (Кл),U — напряжение между электродами (В),Емкость конденсатора зависит от трех факторов: площади электродов, расстоя­ния между электродами и свойств диэлектрика, находящегося между ними. Отметим, что при емкости конденсатора 1 ф заряд в 1 Кл создает на его электродах напря­жение 1 В.Запасенная энергия электрического поля конденсатора определяется следующим соотношением:W = (Q2: 2C) = (CU2: 2)где W — энергия поля конденсатора (Вт*сек).В зависимости от формы электродов, различают конденсаторы плоские, цилиндри­ческие и сферические; по материалу диэлектрика — слюдяные, масляные, бумажные, электролитические, воздушные и т. д.

По конструктивному выполнению конденсаторы могут быть постоянной и переменной емкости.Емкость плоского конденсатора определяется по следующей формуле:C = (є xS) : dгде  С – электрическая емкость (см),є  – диэлектрическая постоянная изолятора,S — поверхность каждого электрода (см2);d — расстояние между электродами, т. е. толщина изолятора (см).Поделитесь полезной статьей:

Источники:

• www.poznavayka.org
• people-ask.ru
• calcsbox.com
• fazaa.ru