Coulomb törvénye és alkalmazása az elektrotechnikában

Csakúgy, mint a newtoni mechanikában, mindig tömeges testek között jön létre gravitációs kölcsönhatás, az elektrodinamikához hasonlóan az elektromos kölcsönhatás az elektromos töltésű testekre jellemző. Az elektromos töltést a «q» vagy «Q» szimbólum jelöli.

Akár azt is mondhatjuk, hogy a q elektromos töltés fogalma az elektrodinamikában némileg hasonló a mechanikai m gravitációs tömeg fogalmához. De a gravitációs tömegtől eltérően az elektromos töltés a testek és részecskék azon tulajdonságát jellemzi, hogy elektromágneses kölcsönhatásba lépnek, és ezek a kölcsönhatások, amint megérti, nem gravitációsak.

Elektromos töltések

Az elektromos jelenségek tanulmányozása során szerzett emberi tapasztalat számos kísérleti eredményt tartalmaz, és mindezek a tények lehetővé tették a fizikusok számára, hogy a következő egyértelmű következtetéseket vonják le az elektromos töltésekről:

1. Az elektromos töltéseknek két típusa van – feltételesen pozitív és negatív töltésekre oszthatók.

2.Az elektromos töltések átvihetők egyik töltött tárgyról a másikra: például testek egymással érintkezve - a köztük lévő töltés szétválasztható. Ebben az esetben az elektromos töltés egyáltalán nem kötelező alkotóeleme a testnek: különböző körülmények között ugyanannak a tárgynak különböző nagyságrendű és előjelű töltése lehet, vagy lehet, hogy nincs töltése. Így a töltés nem a hordozóban rejlő valami, ugyanakkor a töltés nem létezhet a hordozó nélkül.

3. Míg a gravitációs testek mindig vonzzák egymást, az elektromos töltések vonzhatják és taszítják is egymást. Mint a töltések vonzzák egymást, a töltések taszítják.

A töltéshordozók elektronok, protonok és egyéb elemi részecskék. Kétféle elektromos töltés létezik: pozitív és negatív. A pozitív töltések azok, amelyek a bőrrel dörzsölt üvegen jelennek meg. Negatív – Szőrmével dörzsölt borostyán töltések. Az azonos nevű váddal megvádolt hatóságok visszavonulnak. Az ellentétes töltésű tárgyak vonzzák egymást.

Az elektromos töltés megmaradásának törvénye a természet alapvető törvénye, így hangzik: „egy elszigetelt rendszerben lévő összes test töltéseinek algebrai összege állandó marad”. Ez azt jelenti, hogy zárt rendszerben egyetlen tábla díjának megjelenése vagy eltűnése lehetetlen.

Egy elszigetelt rendszerben a töltések algebrai összege állandó marad. A töltéshordozók mozoghatnak egyik testről a másikra, vagy mozoghatnak egy test belsejében, egy molekulában, atomban. A töltés független a vonatkoztatási rendszertől.

Ma a tudományos nézet szerint a töltéshordozók eredetileg elemi részecskék voltak.Az elemi részecskék, a neutronok (elektromosan semleges), a protonok (pozitív töltésű) és az elektronok (negatív töltéssel) alkotják az atomokat.

Az atommagok protonokból és neutronokból állnak, az elektronok pedig az atomok héját. Egy elektron és egy proton töltéseinek modulusa nagyságrendileg megegyezik az e elemi töltéssel, de előjelben ezeknek a részecskéknek a töltései ellentétesek egymással.

Elektromos töltések kölcsönhatása – Coulomb-törvény

Ami az elektromos töltések egymás közötti közvetlen kölcsönhatását illeti, akkor 1785-ben Charles Coulomb francia fizikus kísérleti úton megállapította és leírta az elektrosztatika ezen alaptörvényét, a természet alaptörvényét, amely nem következik semmilyen más törvényből. A tudós munkája során az álló ponttöltésű testek kölcsönhatását vizsgálja, és méri kölcsönös taszításuk és vonzásuk erőit.

Coulomb kísérletileg megállapította a következőket: "Az álló töltések kölcsönhatási erői egyenesen arányosak a modulok szorzatával, és fordítottan arányosak a köztük lévő távolság négyzetével."

Ez a Coulomb-törvény megfogalmazása. És bár ponttöltések nem léteznek a természetben, csak a ponttöltések tekintetében beszélhetünk a köztük lévő távolságról, a Coulomb-törvény ezen megfogalmazásán belül.

Valójában, ha a testek közötti távolságok jelentősen meghaladják méretüket, akkor sem a töltött testek mérete, sem alakja nem befolyásolja különösebben a kölcsönhatásukat, ami azt jelenti, hogy a testek ebben a problémában meglehetősen pontszerűnek tekinthetők.

Nézzünk egy példát. Akasszuk fel néhány feltöltött golyót a húrokra.Mivel valamilyen módon fel vannak töltve, vagy taszítják, vagy vonzzák. Mivel az erők a testeket összekötő egyenes vonal mentén irányulnak, ezek központi erők.

A másik töltésre ható erők jelölésére írjuk: F12 a második töltés ereje az elsőre, F21 az első töltés ereje a másodikra, r12 a második töltés sugárvektora pontdíjat az elsőre. Ha a töltések azonos előjelűek, akkor az F12 erő együttesen a sugárvektorra irányul, de ha a töltések eltérő előjelűek, akkor az F12 erő a sugárvektorra irányul.

A ponttöltések kölcsönhatásának törvényét (Coulomb-törvény) alkalmazva, a kölcsönhatási erő mostantól bármely ponttöltésre vagy ponttöltéstestre megtalálható. Ha a testek nem pont alakúak, akkor mentálisan elemek pasztelljeire bomlanak fel, amelyek mindegyike ponttöltésnek tekinthető.

Miután megtaláltuk az összes kis elem között ható erőket, ezek az erők geometriailag összeadódnak – megtalálják az eredő erőt. Az elemi részecskék a Coulomb-törvény szerint is kölcsönhatásba lépnek egymással, és a mai napig nem figyelték meg az elektrosztatika ezen alapvető törvényének megsértését.

A Coulomb-törvény alkalmazása az elektrotechnikában

A modern elektrotechnikában nincs olyan terület, ahol a Coulomb-törvény ilyen vagy olyan formában ne működne. Kezdve elektromos árammal, egészen egyszerűen feltöltött kondenzátorig. Különösen azok a területek, amelyek elektrosztatikával foglalkoznak – ezek 100%-ban kapcsolódnak a Coulomb-törvényhez. Nézzünk csak néhány példát.

A legegyszerűbb eset egy dielektrikum bevezetése.A töltések kölcsönhatási ereje vákuumban mindig nagyobb, mint ugyanazon töltések kölcsönhatási ereje olyan körülmények között, amikor valamilyen dielektrikum van közéjük helyezve.

A közeg dielektromos állandója pontosan az az érték, amely lehetővé teszi az erők értékének mennyiségi meghatározását, függetlenül a töltések távolságától és nagyságuktól. Elég, ha a töltések kölcsönhatási erejét vákuumban elosztjuk a bevezetett dielektrikum dielektromos állandójával - dielektrikum jelenlétében megkapjuk a kölcsönhatási erőt.

Kifinomult kutatóberendezés – részecskegyorsító. A töltött részecskegyorsítók működése az elektromos mező és a töltött részecskék kölcsönhatásának jelenségén alapul. Az elektromos tér működik a gyorsítóban, növelve a részecske energiáját.

Ha itt a felgyorsult részecskét ponttöltésnek tekintjük, a gyorsító elektromos terének hatását pedig a többi ponttöltésből származó összerőnek, akkor ebben az esetben teljes mértékben betartjuk a Coulomb-törvényt.A mágneses tér a részecskét csak átirányítja. a Lorentz-erő, de nem változtatja meg az energiáját, hanem csak a részecskék mozgási pályáját határozza meg a gyorsítóban.

Elektromos védőszerkezetek. A fontos elektromos berendezéseket mindig első pillantásra olyan egyszerű elemekkel látják el, mint a villámhárító. És a villámhárító a munkájában sem múlik el Coulomb törvényének betartása nélkül. Zivatar során nagy indukált töltések jelennek meg a Földön – a Coulomb-törvény szerint a zivatarfelhő irányába vonzzák őket. Az eredmény egy erős elektromos mező a föld felszínén.

Ennek a mezőnek az intenzitása különösen nagy éles vezetők közelében, ezért a villámhárító hegyes végén meggyullad a koronakisülés – a Földről érkező töltést Coulomb törvényének engedelmeskedve a villám ellentétes töltése vonzza magához. felhő.

A villámhárító közelében lévő levegő erősen ionizált a koronakisülés következtében. Emiatt csökken az elektromos tér erőssége a csúcs közelében (ahogy minden vezeték belsejében is), az indukált töltések nem halmozódhatnak fel az épületen, és csökken a villámlás valószínűsége. Ha villámcsapás történik a villámhárítóba, a töltés egyszerűen a Földre kerül, és nem károsítja a berendezést.