Co to jest prawo Coulomba?
Prawo Coulomba jest stosowane w dziedzinie fizyki do obliczyć siłę elektryczną działającą między dwoma ładunkami w spoczynku.
Na podstawie tego prawa można przewidzieć, jaka będzie siła elektrostatyczna przyciągania lub odpychania istniejąca między dwiema cząstkami w zależności od ich ładunku elektrycznego i odległości między nimi.
Prawo Coulomba zawdzięcza swoją nazwę francuskiemu fizykowi Charlesowi-Augustinowi de Coulombowi, który w 1875 roku wypowiedział to prawo i które stanowi podstawę elektrostatyki:
„Wielkość każdej z sił elektrycznych, z którymi dwa ładunki punktowe oddziałują w spoczynku, jest wprost proporcjonalna do iloczynu wielkości obu ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości, która je dzieli i ma kierunek linii, która łączy im. Siła jest odpychająca, jeśli ładunki są tego samego znaku, a przyciągania, jeśli są przeciwnego znaku ”.
To prawo jest reprezentowane w następujący sposób:
- fa = elektryczna siła przyciągania lub odpychania w Newtonach (N). Jak ładunki odpychają, a przeciwne przyciągają.
- k = jest Stała Coulomba lub elektryczna stała proporcjonalności. Siła zmienia się w zależności od przenikalności elektrycznej (ε) medium, czy to między innymi wody, powietrza, oleju, próżni.
- co = wartość ładunków elektrycznych zmierzona w kulombach (C).
- r = odległość dzieląca ładunki mierzona w metrach (m).
Należy zauważyć, że przenikalność elektryczna próżni jest stała i jest jedną z najczęściej stosowanych. Oblicza się ją w następujący sposób: ε 0 = 8,8541878176x10-12 do2 / (Nm2). Niezwykle ważne jest uwzględnienie przenikalności materiału.
Wartość stałej Coulomba w Międzynarodowym Systemie Miar wynosi:
Prawo to uwzględnia tylko oddziaływanie między dwoma ładunkami punktowymi w tym samym czasie i określa jedynie siłę istniejącą między q1 i co2 bez uwzględniania ładunków wokół.
Coulomb był w stanie określić właściwości siły elektrostatycznej, opracowując równowagę skręcania jako instrument badawczy, który składał się z pręta zawieszonego na włóknie ze zdolnością skręcania się i powrotu do swojego początkowego położenia.
W ten sposób Coulomb mógł zmierzyć siłę wywieraną na punkt na sztabce, umieszczając kilka naładowanych kul w różnych odległościach, aby zmierzyć siłę przyciągania lub odpychania podczas obracania sztabki.
Siła elektrostatyczna
Ładunek elektryczny jest właściwością materii i jest przyczyną zjawisk związanych z elektrycznością.
Elektrostatyka to dziedzina fizyki, która bada efekty generowane w ciałach zgodnie z ich ładunkami elektrycznymi w równowadze.
Siła elektryczna (F) jest proporcjonalna do schodzących się ładunków i odwrotnie proporcjonalna do odległości między nimi. Siła ta działa pomiędzy ładunkami promieniowo, to znaczy po linii pomiędzy ładunkami, stąd jest to wektor promieniowy pomiędzy dwoma ładunkami.
Dlatego dwa ładunki o tym samym znaku generują siłę dodatnią, na przykład: - ∙ - = + lub + ∙ + = +. Z drugiej strony dwa ładunki o przeciwnych znakach generują siłę ujemną, na przykład: - ∙ + = - lub + ∙ - = -.
Jednak dwa ładunki o tym samym znaku odpychają się (+ + / - -), ale dwa ładunki o różnych znakach przyciągają (+ - / - +).
Przykład: jeśli pocierasz taśmę teflonową rękawicą, rękawica jest naładowana dodatnio, a taśma ujemnie, więc gdy się zbliżają, przyciągają się nawzajem. Teraz, jeśli potrzemy napompowany balon naszymi włosami, balon zostanie naładowany ujemną energią i gdy zbliży się do taśmy teflonowej, oba odpychają się, ponieważ mają ten sam rodzaj ładunku.
Podobnie siła ta zależy od ładunku elektrycznego i odległości między nimi, jest podstawową zasadą elektrostatyki, a także prawem dotyczącym ładunków w spoczynku w układzie odniesienia.
Warto wspomnieć, że na małych odległościach siły ładunków elektrycznych rosną, a na dużych odległościach siły ładunków elektrycznych maleją, to znaczy maleją w miarę oddalania się ładunków od siebie.
Wielkość siły
Wielkość siły elektromagnetycznej to taka, która wpływa na ciała zawierające ładunek elektryczny i może prowadzić do fizycznej lub chemicznej transformacji, ponieważ ciała mogą się wzajemnie przyciągać lub odpychać.
Zatem wielkość wywierana na dwa ładunki elektryczne jest równa stałej ośrodka, w którym znajdują się ładunki elektryczne, przez iloraz iloczynu każdego z nich i kwadratu odległości dzielącej je.
Wielkość siły elektrostatycznej jest proporcjonalna do iloczynu wielkości ładunków q1 dlatego2. Siła elektrostatyczna z bliskiej odległości jest bardzo duża.
Przykłady prawa Coulomba
Poniżej znajdują się różne przykłady ćwiczeń, w których należy zastosować prawo Coulomba.
Przykład 1
Mamy dwa ładunki elektryczne, jeden o wartości +3c i jeden o wartości -2c, oddzielone odległością 3m. Aby obliczyć siłę istniejącą między obydwoma ładunkami, należy pomnożyć stałą K przez iloczyn obu ładunków. Jak widać na obrazku uzyskano siłę ujemną.
Ilustrowany przykład zastosowania prawa Coulomba:
Przykład 2
Mamy ładunek 6 x 10-6C (q1) w odległości 2m od ładunku -4 x 10-6C (q2). Więc jaka jest wielkość siły między tymi dwoma ładunkami?
do. Współczynniki są mnożone: 9 x 6 x 4 = 216.
b. Wykładniki są dodawane algebraicznie: -6 i -6 = -12. Teraz -12 + 9 = -3.
Odpowiedź: F = 54 x 10-3 N.
Przykłady ćwiczeń
1. Mamy ładunek 3 x 10-6C (q1) i inne obciążenie -8 x 10-6C (q2) w odległości 2 m. Jaka jest wielkość siły przyciągania, która istnieje między nimi?
Odpowiedź: F = 54 X 10-3 N.
2. Wyznacz siłę działającą między dwoma ładunkami elektrycznymi 1 x 10-6C (q1) i kolejne obciążenie 2,5 x 10-6C (q2), które znajdują się w spoczynku iw próżni w odległości 5 cm (pamiętaj, aby zbliżyć cm do m zgodnie z Międzynarodowym Systemem Miar).
Odpowiedź: F = 9 N.
