แรงอันตรกิริยาของประจุในสูตรสุญญากาศ กฎของคูลอมบ์ในรูปแบบคำง่ายๆ

แนวคิดเรื่องไฟฟ้า การใช้พลังงานไฟฟ้า ตัวนำ สารกึ่งตัวนำ และไดอิเล็กทริก ประจุเบื้องต้นและคุณสมบัติของมัน กฎของคูลอมบ์ ความแรงของสนามไฟฟ้า หลักการซ้อนทับ สนามไฟฟ้าเป็นการแสดงออกถึงปฏิสัมพันธ์ สนามไฟฟ้าของไดโพลเบื้องต้น

คำว่าไฟฟ้ามาจาก คำภาษากรีกอิเล็กตรอน (อำพัน)

การใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นกระบวนการส่งพลังงานไฟฟ้าไปยังร่างกาย

ค่าใช้จ่าย. คำนี้ถูกนำมาใช้ในศตวรรษที่ 16 โดยนักวิทยาศาสตร์และแพทย์ชาวอังกฤษ กิลเบิร์ต

ประจุไฟฟ้าเป็นปริมาณสเกลาร์ทางกายภาพที่กำหนดคุณสมบัติของวัตถุหรืออนุภาคเพื่อเข้าสู่ปฏิกิริยาระหว่างแม่เหล็กไฟฟ้า และเป็นตัวกำหนดความแข็งแกร่งและพลังงานของปฏิกิริยาเหล่านี้

คุณสมบัติของประจุไฟฟ้า:

1. โดยธรรมชาติแล้วประจุไฟฟ้ามีอยู่ 2 ประเภท ค่าบวก (เกิดบนกระจกที่ถูกับหนัง) และค่าลบ (เกิดกับยาง ebonite ที่ถูกับขนสัตว์)

2. เช่นเดียวกับประจุที่ผลักกัน ต่างจากประจุที่ดึงดูด

3. ประจุไฟฟ้าจะไม่มีอยู่หากไม่มีอนุภาคพาหะของประจุ (อิเล็กตรอน โปรตอน โพซิตรอน ฯลฯ) ตัวอย่างเช่น ประจุไฟฟ้าไม่สามารถลบออกจากอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุพื้นฐานอื่นๆ ได้

4. ประจุไฟฟ้าไม่ต่อเนื่อง กล่าวคือ ประจุของตัวใดๆ จะเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของ ประจุไฟฟ้าเบื้องต้น จ(อี= 1.6 10 -19 องศาเซลเซียส) อิเล็กตรอน (เช่น= 9,11 10 -31 กิโลกรัม) และ โปรตอน (ที พี = 1.67 10 -27 กก) เป็นพาหะของประจุลบและประจุบวกเบื้องต้นตามลำดับ (รู้จักอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าแบบเศษส่วน: – 1/3 อีและ 2/3 อี – นี้ ควาร์กและโบราณวัตถุ แต่ไม่พบในรัฐอิสระ)

5. ประจุไฟฟ้า - ขนาด ไม่แปรเปลี่ยนเชิงสัมพัทธภาพ , เหล่านั้น. ไม่ขึ้นอยู่กับหน้าต่างอ้างอิง ซึ่งหมายความว่าไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าประจุนี้กำลังเคลื่อนที่หรืออยู่นิ่ง

6. จากภาพรวมของข้อมูลการทดลองจึงได้มีการกำหนดขึ้น กฎพื้นฐานของธรรมชาติ - กฎหมายอนุรักษ์ค่าธรรมเนียม: ผลรวมพีชคณิต

MA ของประจุไฟฟ้าของระบบปิดใดๆ(ระบบที่ไม่แลกเปลี่ยนประจุกับวัตถุภายนอก) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่ากระบวนการใดจะเกิดขึ้นภายในระบบนี้

กฎหมายดังกล่าวได้รับการยืนยันจากการทดลองในปี พ.ศ. 2386 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

เอ็ม. ฟาราเดย์ (พ.ศ. 2334-2410) และอื่นๆ ได้รับการยืนยันโดยการกำเนิดและการทำลายล้างของอนุภาคและปฏิภาค

หน่วยของประจุไฟฟ้า (หน่วยได้มา เนื่องจากถูกกำหนดผ่านหน่วยของกระแสไฟฟ้า) - จี้ (C): 1 C - ประจุไฟฟ้า

ผ่าน ภาพตัดขวางตัวนำที่มีกระแส 1 A เป็นเวลา 1 วินาที

ร่างกายทั้งหมดในธรรมชาติสามารถเกิดไฟฟ้าได้ เช่น รับประจุไฟฟ้า สามารถดำเนินการผลิตไฟฟ้าให้กับร่างกายได้ ในรูปแบบต่างๆ: หน้าสัมผัส (แรงเสียดทาน) การเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต

เป็นต้น กระบวนการชาร์จใดๆ ขึ้นอยู่กับการแยกประจุ ซึ่งมีประจุบวกส่วนเกินปรากฏขึ้นบนส่วนใดส่วนหนึ่ง (หรือส่วนหนึ่งของร่างกาย) และประจุลบส่วนเกินปรากฏที่อีกด้านหนึ่ง (หรือส่วนอื่น ๆ ของ ร่างกาย). จำนวนประจุทั้งหมดของสัญญาณทั้งสองที่มีอยู่ในร่างกายไม่เปลี่ยนแปลง: ประจุเหล่านี้จะถูกกระจายระหว่างร่างกายเท่านั้น

การทำให้วัตถุเกิดไฟฟ้านั้นเป็นไปได้เนื่องจากวัตถุประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ ในระหว่างกระบวนการใช้พลังงานไฟฟ้าของร่างกาย อิเล็กตรอนและไอออนที่อยู่ในสถานะอิสระสามารถเคลื่อนที่ได้ โปรตอนยังคงอยู่ในนิวเคลียส

ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของประจุฟรี ร่างกายจะถูกแบ่งออกเป็น ตัวนำ ไดอิเล็กทริก และเซมิคอนดักเตอร์.

ตัวนำ- วัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสามารถผสมกันได้ตลอดปริมาตร ตัวนำแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:

1) ตัวนำประเภทแรก (โลหะ) - โอนไปที่

ประจุ (อิเล็กตรอนอิสระ) ไม่ได้มาพร้อมกับสารเคมี

การเปลี่ยนแปลง;

2) ตัวนำประเภทที่สอง (เช่น เกลือหลอมเหลว รา-

สารละลายกรด) - ถ่ายโอนประจุ (บวกและลบ) เข้าไป

ไอออน) ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

อิเล็กทริก(เช่นแก้วพลาสติก) - ตัวเครื่องที่ไม่มีค่าใช้จ่ายฟรีในทางปฏิบัติ

เซมิคอนดักเตอร์ (เช่นเจอร์เมเนียม, ซิลิคอน) ครอบครอง

ตำแหน่งกลางระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริก การแบ่งส่วนของร่างกายนี้มีเงื่อนไขมากอย่างไรก็ตามความแตกต่างอย่างมากในความเข้มข้นของประจุอิสระทำให้เกิดความแตกต่างเชิงคุณภาพอย่างมากในพฤติกรรมของพวกมัน ดังนั้นจึงปรับการแบ่งส่วนของร่างกายออกเป็นตัวนำ ไดอิเล็กทริก และเซมิคอนดักเตอร์

ไฟฟ้าสถิต- ศาสตร์แห่งประจุนิ่ง

กฎของคูลอมบ์

กฎแห่งปฏิสัมพันธ์ จุดคงที่ ค่าไฟฟ้า

ติดตั้งทดลองในปี ค.ศ. 1785 โดย Sh. Coulomb โดยใช้เครื่องชั่งแบบบิด

คล้ายกับที่ใช้โดย G. Cavendish เพื่อกำหนดค่าคงที่แรงโน้มถ่วง (ก่อนหน้านี้กฎนี้ถูกค้นพบโดย G. Cavendish แต่งานของเขายังไม่เป็นที่รู้จักมานานกว่า 100 ปี)

ค่าธรรมเนียมจุดเรียกว่าวัตถุหรืออนุภาคที่มีประจุขนาดที่สามารถละเลยได้เมื่อเปรียบเทียบกับระยะทาง

กฎของคูลอมบ์: แรงแห่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุที่มีจุดคงที่สองประจุที่อยู่ ในสุญญากาศเป็นสัดส่วนกับค่าธรรมเนียม คำถามที่ 1และ ไตรมาสที่ 2,และเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่าง r ระหว่างพวกมัน :

เค - ปัจจัยสัดส่วนขึ้นอยู่กับการเลือกระบบ

ในเอสไอ

ขนาด ε 0 เรียกว่า ค่าคงที่ทางไฟฟ้า มันหมายถึง

ตัวเลข ค่าคงที่ทางกายภาพขั้นพื้นฐาน และเท่ากับ:

ε 0 = 8.85 ∙10 -12 Cl 2 /N∙m 2

ในรูปแบบเวกเตอร์ กฎของคูลอมบ์ในสุญญากาศมีรูปแบบดังนี้

โดยที่เวกเตอร์รัศมีเชื่อมต่อประจุที่สองกับประจุแรก F 12 คือแรงที่กระทำจากประจุที่สองบนประจุแรก

ความแม่นยำของกฎคูลอมบ์ในระยะไกลสูงสุดถึง

10 7 m ก่อตั้งขึ้นระหว่างการวิจัย สนามแม่เหล็กผ่านดาวเทียม

ในอวกาศใกล้โลก ความแม่นยำในการใช้งานในระยะทางสั้น ๆ สูงสุดถึง 10 -17 m ตรวจสอบโดยการทดลองเกี่ยวกับอันตรกิริยาของอนุภาคมูลฐาน

กฎของคูลอมบ์ในสิ่งแวดล้อม

ในสื่อทุกชนิด แรงอันตรกิริยาของคูลอมบ์นั้นน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแรงอันตรกิริยาในสุญญากาศหรืออากาศ ปริมาณทางกายภาพที่แสดงจำนวนครั้งที่แรงกระทำระหว่างกันของไฟฟ้าสถิตในสุญญากาศมีค่ามากกว่าตัวกลางที่กำหนด เรียกว่า ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของตัวกลาง และเขียนแทนด้วยตัวอักษร ε.

ε = F ในสุญญากาศ / F ในตัวกลาง

กฎของคูลอมบ์ มุมมองทั่วไปในเอสไอ:

คุณสมบัติของแรงคูลอมบ์

1. แรงคูลอมบ์เป็นแรงประเภทศูนย์กลางเพราะว่า กำกับตามแนวเส้นตรงที่เชื่อมต่อกับประจุ

แรงคูลอมบ์เป็นแรงดึงดูดหากสัญญาณของประจุต่างกัน และเป็นแรงผลักหากสัญญาณของประจุเหมือนกัน

3. กฎข้อที่ 3 ของนิวตันใช้ได้กับแรงคูลอมบ์

4. กองกำลังคูลอมบ์เชื่อฟังหลักการความเป็นอิสระหรือการซ้อนทับเพราะว่า พลังปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุสองจุดจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อมีประจุอื่นปรากฏขึ้นในบริเวณใกล้เคียง ผลลัพธ์ของแรงอันตรกิริยาของไฟฟ้าสถิตที่กระทำต่อประจุหนึ่งๆ จะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของแรงอันตรกิริยาของประจุหนึ่งๆ กับประจุแต่ละประจุของระบบแยกจากกัน

F= F 12 +F 13 +F 14 + ∙∙∙ +F 1 N

ปฏิกิริยาระหว่างประจุเกิดขึ้นผ่านสนามไฟฟ้า สนามไฟฟ้าเป็นรูปแบบพิเศษของการดำรงอยู่ของสสารซึ่งปฏิกิริยาของประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น สนามไฟฟ้าแสดงออกมาโดยว่ามันกระทำการด้วยแรงกับประจุอื่นใดที่เข้ามาในสนามนี้ สนามไฟฟ้าสถิตถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่งและแพร่กระจายในอวกาศด้วยความเร็วจำกัด c

ลักษณะความแรงของสนามไฟฟ้าเรียกว่าแรงตึง

ความตึงเครียดไฟฟ้า ณ จุดหนึ่งคือปริมาณทางกายภาพเท่ากับอัตราส่วนของแรงที่สนามกระทำต่อประจุทดสอบบวกที่วาง ณ จุดที่กำหนดต่อโมดูลัสของประจุนี้

ความแรงของสนามประจุจุด q:

หลักการซ้อนทับ:ความแรงของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยระบบประจุที่จุดที่กำหนดในอวกาศจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของความแรงของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้น ณ จุดนี้โดยแต่ละประจุแยกกัน (ในกรณีที่ไม่มีประจุอื่น)

กฎพื้นฐานของอันตรกิริยาของประจุไฟฟ้าค้นพบโดยการทดลองโดย Charles Coulomb ในปี 1785 คูลอมบ์พบว่า แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างลูกบอลโลหะที่มีประจุขนาดเล็กสองลูกจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างลูกบอลทั้งสองและขึ้นอยู่กับขนาดของประจุและ:

ที่ไหน - ปัจจัยสัดส่วน .

กองกำลังที่กระทำการต่อประจุ, เป็น ศูนย์กลาง นั่นคือพวกมันถูกชี้ไปตามแนวเส้นตรงที่เชื่อมต่อกับประจุ

กฎของคูลอมบ์สามารถเขียนลงไปได้ ในรูปแบบเวกเตอร์:,

ที่ไหน - เวกเตอร์ของแรงที่กระทำต่อประจุจากด้านข้างของประจุ

เวกเตอร์รัศมีที่เชื่อมต่อประจุเข้ากับประจุ

โมดูลเวกเตอร์รัศมี

แรงที่กระทำต่อประจุจากด้านข้างมีค่าเท่ากับ

กฎของคูลอมบ์ในรูปแบบนี้

ยุติธรรม สำหรับปฏิกิริยาของประจุไฟฟ้าแบบจุดเท่านั้นนั่นคือวัตถุที่มีประจุดังกล่าวซึ่งสามารถละเลยมิติเชิงเส้นได้เมื่อเปรียบเทียบกับระยะห่างระหว่างพวกมัน

แสดงออกถึงความเข้มแข็งของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่ง นั่นคือ นี่คือกฎไฟฟ้าสถิต

การกำหนดกฎของคูลอมบ์:

แรงของปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างประจุไฟฟ้าสองจุดนั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของขนาดของประจุและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกมัน.

ปัจจัยสัดส่วนในกฎของคูลอมบ์ พึ่งพา

จากคุณสมบัติของสิ่งแวดล้อม

การเลือกหน่วยวัดปริมาณที่รวมอยู่ในสูตร

ดังนั้นจึงสามารถแสดงได้ด้วยความสัมพันธ์

ที่ไหน - ค่าสัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับการเลือกระบบหน่วยการวัดเท่านั้น;

ปริมาณไร้มิติที่แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของตัวกลางเรียกว่า ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของตัวกลาง - ไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเลือกระบบของหน่วยการวัดและเท่ากับหน่วยในสุญญากาศ

จากนั้นกฎของคูลอมบ์จะอยู่ในรูปแบบ:

สำหรับสุญญากาศ

แล้ว - ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของตัวกลางแสดงจำนวนครั้งในตัวกลางที่กำหนดแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้าสองจุดที่อยู่ห่างจากกันจะน้อยกว่าในสุญญากาศ

ในระบบเอสไอสัมประสิทธิ์ และ

กฎของคูลอมบ์มีรูปแบบ:.

นี้ สัญกรณ์หาเหตุผลเข้าข้างตนเองของกฎหมาย Kจับ.

ค่าคงที่ทางไฟฟ้า, .

ในระบบ SGSE ,.

ในรูปแบบเวกเตอร์ กฎของคูลอมบ์ใช้แบบฟอร์ม

ที่ไหน - เวกเตอร์ของแรงที่กระทำต่อประจุจากด้านข้างของประจุ ,

เวกเตอร์รัศมีเชื่อมต่อประจุกับประจุ

ร–โมดูลัสของเวกเตอร์รัศมี .

วัตถุที่มีประจุใดๆ ประกอบด้วยประจุไฟฟ้าหลายจุด ดังนั้น แรงไฟฟ้าสถิตที่วัตถุที่มีประจุตัวหนึ่งกระทำต่ออีกวัตถุหนึ่งจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของแรงที่ใช้กับประจุทุกจุดของวัตถุตัวที่สองโดยแต่ละจุดประจุของวัตถุตัวแรก

1.3 สนามไฟฟ้า ความเครียด.

ช่องว่าง,ซึ่งมีประจุไฟฟ้าอยู่แน่นอน คุณสมบัติทางกายภาพ.

เผื่อไว้อื่น ประจุที่นำเข้าสู่อวกาศนี้กระทำโดยแรงคูลอมบ์ไฟฟ้าสถิต

ถ้าแรงกระทำที่ทุกจุดในอวกาศ ก็กล่าวได้ว่ามีสนามแรงอยู่ในอวกาศนั้น

สนามพร้อมกับสสารก็เป็นรูปแบบของสสาร

ถ้าสนามอยู่กับที่ กล่าวคือ ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป และถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่ง สนามดังกล่าวจะเรียกว่าไฟฟ้าสถิต

ไฟฟ้าสถิตศึกษาเฉพาะสนามไฟฟ้าสถิตและอันตรกิริยาของประจุที่อยู่นิ่ง

เพื่อกำหนดลักษณะเฉพาะของสนามไฟฟ้า จึงได้นำแนวคิดเรื่องความเข้มมาใช้ . ความเครียดที่แต่ละจุดของสนามไฟฟ้าเรียกว่าเวกเตอร์ ซึ่งในเชิงตัวเลขเท่ากับอัตราส่วนของแรงที่สนามนี้กระทำต่อการทดสอบประจุบวกที่วาง ณ จุดที่กำหนด และขนาดของประจุนี้ และมุ่งไปในทิศทางของ แรง

ค่าทดสอบซึ่งถูกนำเข้าสู่สนาม ถือเป็นประจุแบบจุดและมักเรียกว่าประจุทดสอบ

- พระองค์ไม่มีส่วนร่วมในการสร้างสนาม ซึ่งวัดด้วยความช่วยเหลือ

สันนิษฐานว่าข้อกล่าวหานี้ ไม่บิดเบือนสาขาวิชาที่กำลังศึกษา นั่นคือมันมีขนาดเล็กพอและไม่ก่อให้เกิดการแจกจ่ายประจุที่สร้างสนาม

ถ้าสนามกระทำต่อจุดทดสอบที่มีประจุก็จะเกิดแรงดึง

หน่วยความตึง:

ในระบบเอสไอ การแสดงออก สำหรับสนามชาร์จจุด:

ในรูปแบบเวกเตอร์:

นี่คือเวกเตอร์รัศมีที่ดึงมาจากประจุ ถามการสร้างสนาม ณ จุดที่กำหนด

ดังนั้น, เวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้าของประจุแบบจุดถาม ทุกจุดของสนามจะถูกชี้ทิศทางในแนวรัศมี(รูปที่ 1.3)

- จากประจุ หากเป็นบวก แสดงว่า “แหล่งกำเนิด”

- และต่อประจุถ้ามันเป็นลบ"ท่อระบายน้ำ"

สำหรับการตีความแบบกราฟิกมีการแนะนำสนามไฟฟ้า แนวคิดเรื่องเส้นแรงหรือเส้นความตึงเครียด - นี้

เส้นโค้ง แทนเจนต์ในแต่ละจุดที่ตรงกับเวกเตอร์แรงดึง.

เส้นแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นที่ประจุบวกและสิ้นสุดที่ประจุลบ

เส้นแรงดึงไม่ตัดกัน เนื่องจากที่แต่ละจุดของสนาม เวกเตอร์แรงดึงจะมีทิศทางเดียวเท่านั้น

ในวิชาไฟฟ้าสถิต หนึ่งในกฎพื้นฐานคือกฎของคูลอมบ์ ใช้ในฟิสิกส์เพื่อกำหนดแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุจุดที่นิ่งสองประจุหรือระยะห่างระหว่างประจุเหล่านั้น นี่เป็นกฎพื้นฐานของธรรมชาติที่ไม่ขึ้นอยู่กับกฎอื่นใด ดังนั้นรูปร่างของร่างกายที่แท้จริงจะไม่ส่งผลต่อขนาดของแรง ในบทความนี้เราจะบอก ในภาษาง่ายๆกฎของคูลอมบ์และการนำไปใช้ในทางปฏิบัติ

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบ

ช.โอ. คูลอมบ์ในปี พ.ศ. 2328 เป็นคนแรกที่ทดลองพิสูจน์ปฏิสัมพันธ์ที่อธิบายไว้ในกฎหมาย ในการทดลองของเขา เขาใช้เครื่องชั่งแบบบิดพิเศษ อย่างไรก็ตาม ย้อนกลับไปในปี 1773 คาเวนดิชได้พิสูจน์โดยใช้ตัวอย่างตัวเก็บประจุแบบทรงกลมว่าไม่มีสนามไฟฟ้าภายในทรงกลม สิ่งนี้บ่งชี้ว่าแรงไฟฟ้าสถิตจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างวัตถุ เพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้น - กำลังสองของระยะทาง งานวิจัยของเขาไม่ได้รับการตีพิมพ์ในขณะนั้น ในอดีต การค้นพบนี้ตั้งชื่อตามคูลอมบ์ และปริมาณที่ใช้วัดประจุมีชื่อคล้ายกัน

สูตร

คำจำกัดความของกฎคูลอมบ์ระบุว่า: ในสุญญากาศอันตรกิริยา F ของวัตถุที่มีประจุสองวัตถุจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของโมดูลัสของวัตถุทั้งสองและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง

ฟังดูสั้น แต่อาจไม่ชัดเจนสำหรับทุกคน พูดง่ายๆ: ยิ่งวัตถุมีประจุมากขึ้นและอยู่ใกล้กันมากเท่าใด แรงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

และในทางกลับกัน: หากคุณเพิ่มระยะห่างระหว่างประจุ แรงก็จะน้อยลง

สูตรกฎของคูลอมบ์มีลักษณะดังนี้:

การกำหนดตัวอักษร: q - ค่าประจุ, r - ระยะห่างระหว่างพวกเขา, k - สัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับระบบหน่วยที่เลือก

ค่าประจุ q สามารถเป็นค่าบวกแบบมีเงื่อนไขหรือค่าลบแบบมีเงื่อนไข การแบ่งส่วนนี้เป็นไปตามอำเภอใจมาก เมื่อร่างกายสัมผัสกัน ก็สามารถแพร่เชื้อจากกันได้ จากนี้ไปร่างกายเดียวกันก็สามารถมีประจุที่มีขนาดและเครื่องหมายต่างกันได้ ประจุแบบจุดคือประจุหรือวัตถุที่มีขนาดน้อยกว่าระยะห่างของการโต้ตอบที่เป็นไปได้มาก

ควรพิจารณาว่าสภาพแวดล้อมซึ่งมีประจุอยู่นั้นส่งผลต่อปฏิกิริยา F เนื่องจากมีค่าเกือบเท่ากันในอากาศและสุญญากาศ การค้นพบของคูลอมบ์จึงใช้ได้กับตัวกลางเหล่านี้เท่านั้น นี่เป็นหนึ่งในเงื่อนไขสำหรับการใช้สูตรประเภทนี้ ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ในระบบ SI หน่วยวัดประจุคือคูลอมบ์ ย่อมาจาก Cl มันแสดงลักษณะปริมาณไฟฟ้าต่อหน่วยเวลา มันได้มาจากหน่วยฐาน SI

1 C = 1 A*1 วิ

เป็นที่น่าสังเกตว่ามิติของ 1 C นั้นซ้ำซ้อน เนื่องจากพาหะผลักกัน เป็นการยากที่จะบรรจุไว้ในตัวเล็กๆ แม้ว่ากระแสไฟฟ้า 1A เองก็จะมีขนาดเล็กหากไหลในตัวนำก็ตาม ตัวอย่างเช่นในหลอดไส้ 100 W เดียวกันกระแสจะไหล 0.5 A และในเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าจะไหลมากกว่า 10 A แรงดังกล่าว (1 C) มีค่าเท่ากับมวล 1 ตันที่กระทำต่อร่างกายจาก ด้านข้างของโลก

คุณอาจสังเกตเห็นว่าสูตรนี้เกือบจะเหมือนกับในปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วง เฉพาะในกรณีที่มวลปรากฏในกลศาสตร์ของนิวตันเท่านั้น ประจุจึงจะปรากฏเป็นไฟฟ้าสถิต

สูตรคูลอมบ์สำหรับตัวกลางอิเล็กทริก

ค่าสัมประสิทธิ์โดยคำนึงถึงค่าของระบบ SI ถูกกำหนดใน N 2 * m 2 / Cl 2 มันเท่ากับ:

ในหนังสือเรียนหลายเล่ม ค่าสัมประสิทธิ์นี้สามารถพบได้ในรูปของเศษส่วน:

โดยที่ E 0 = 8.85*10-12 C2/N*m2 คือค่าคงที่ทางไฟฟ้า สำหรับอิเล็กทริก จะมีการเพิ่ม E ซึ่งเป็นค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลาง จากนั้นกฎของคูลอมบ์สามารถใช้เพื่อคำนวณแรงปฏิกิริยาระหว่างประจุของสุญญากาศและตัวกลางได้

เมื่อคำนึงถึงอิทธิพลของอิเล็กทริกก็มีรูปแบบ:

จากนี้เราจะเห็นว่าการนำอิเล็กทริกระหว่างวัตถุลดแรง F

กองกำลังมีทิศทางอย่างไร?

ประจุมีปฏิกิริยาต่อกันขึ้นอยู่กับขั้วของประจุ - ประจุเหมือนจะผลักกัน และประจุที่ต่างจาก (ตรงกันข้าม) จะดึงดูดกัน

อย่างไรก็ตาม นี่คือความแตกต่างที่สำคัญจากกฎปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงที่คล้ายกันซึ่งวัตถุจะดึงดูดอยู่เสมอ แรงจะมุ่งไปตามเส้นที่ลากระหว่างแรงเหล่านั้น เรียกว่าเวกเตอร์รัศมี ในฟิสิกส์จะแสดงเป็น r 12 และเป็นเวกเตอร์รัศมีจากประจุแรกถึงประจุที่สองและในทางกลับกัน แรงจะถูกส่งจากศูนย์กลางของประจุไปยังประจุตรงข้ามตามเส้นนี้ ถ้าประจุอยู่ตรงข้าม และเคลื่อนเข้า ด้านหลังหากเป็นชื่อเดียวกัน (ค่าบวกสองตัวหรือค่าลบสองตัว) ในรูปแบบเวกเตอร์:

แรงที่ใช้กับประจุแรกในวินาทีจะแสดงเป็น F 12 จากนั้น ในรูปแบบเวกเตอร์ กฎของคูลอมบ์จะเป็นดังนี้:

ในการกำหนดแรงที่ใช้กับประจุที่สองจะใช้การกำหนด F 21 และ R 21

ถ้าร่างกายมี รูปร่างที่ซับซ้อนและมีขนาดใหญ่พอที่จะไม่สามารถถือเป็นประจุแบบจุดได้ในระยะทางที่กำหนด จากนั้นจึงแบ่งออกเป็นส่วนเล็กๆ และแต่ละส่วนถือเป็นประจุแบบจุด หลังจากบวกเวกเตอร์ผลลัพธ์ทั้งหมดทางเรขาคณิตแล้ว จะได้แรงผลลัพธ์ อะตอมและโมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์กันตามกฎเดียวกัน

การประยุกต์ในทางปฏิบัติ

งานของคูลอมบ์มีความสำคัญมากในด้านไฟฟ้าสถิต ในทางปฏิบัติ มันถูกนำไปใช้ในสิ่งประดิษฐ์และอุปกรณ์จำนวนหนึ่ง ตัวอย่างที่เด่นชัดคือสายล่อฟ้า ด้วยความช่วยเหลือจะช่วยปกป้องอาคารและการติดตั้งระบบไฟฟ้าจากพายุฝนฟ้าคะนอง ดังนั้นจึงป้องกันไฟไหม้และอุปกรณ์ขัดข้อง เมื่อฝนตกพร้อมกับพายุฝนฟ้าคะนอง ประจุเหนี่ยวนำขนาดใหญ่จะปรากฏขึ้นบนพื้น พวกมันจะถูกดึงดูดเข้าหาเมฆ ปรากฎว่ามีสนามไฟฟ้าขนาดใหญ่ปรากฏขึ้นบนพื้นผิวโลก ใกล้กับปลายสายล่อฟ้าจะมีขนาดใหญ่กว่า ซึ่งเป็นผลมาจากการที่การปล่อยโคโรนาถูกจุดติดจากปลาย (จากพื้นดิน ผ่านสายล่อฟ้าไปยังเมฆ) ประจุจากพื้นดินถูกดึงดูดไปยังประจุตรงข้ามของเมฆ ตามกฎของคูลอมบ์ อากาศจะแตกตัวเป็นไอออน และความแรงของสนามไฟฟ้าจะลดลงเมื่อใกล้ถึงปลายสายล่อฟ้า ดังนั้นประจุจะไม่สะสมบนอาคาร ซึ่งในกรณีนี้โอกาสที่จะเกิดฟ้าผ่ามีน้อย หากเกิดการฟาดลงบนอาคาร พลังงานทั้งหมดจะไหลลงสู่พื้นผ่านสายล่อฟ้า

อย่างจริงจัง การวิจัยทางวิทยาศาสตร์พวกเขาใช้โครงสร้างที่ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งศตวรรษที่ 21 นั่นคือเครื่องเร่งอนุภาค ในนั้นสนามไฟฟ้าทำงานเพื่อเพิ่มพลังงานของอนุภาค เมื่อพิจารณากระบวนการเหล่านี้จากมุมมองของอิทธิพลของกลุ่มประจุต่อประจุแบบจุดแล้วความสัมพันธ์ของกฎหมายทั้งหมดจะมีผล

มีประโยชน์

ประจุสองจุดกระทำต่อกันด้วยแรงที่แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุทั้งสองและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของประจุ (โดยไม่สนใจเครื่องหมายของประจุ)

ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน เช่น อากาศและน้ำ ประจุสองจุดจะมีปฏิกิริยากับจุดแข็งที่ต่างกัน ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์ของตัวกลางแสดงถึงความแตกต่างนี้ นี่คือค่าตารางที่รู้จักกันดี สำหรับอากาศ

ค่าคงที่ k ถูกกำหนดเป็น

ทิศทางของแรงคูลอมบ์

ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน แรงในลักษณะเดียวกันจะเกิดขึ้นเป็นคู่ มีขนาดเท่ากัน และมีทิศทางตรงกันข้าม ถ้าประจุที่ไม่เท่ากันสองอันเกิดปฏิกิริยากัน แรงที่ประจุที่ใหญ่กว่ากระทำต่อประจุที่เล็กกว่า (B บน A) จะเท่ากับแรงที่ประจุที่เล็กกว่ากระทำต่อประจุที่ใหญ่กว่า (A บน B)

ที่น่าสนใจคือกฎฟิสิกส์ต่างๆ ก็มีอยู่บ้าง คุณสมบัติทั่วไป- มาจำกฎแรงโน้มถ่วงกันเถอะ แรงโน้มถ่วงยังแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง แต่ระหว่างมวล และความคิดเกิดขึ้นโดยไม่สมัครใจจนรูปแบบนี้ปกปิดไว้ ความหมายลึกซึ้ง- จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีใครสามารถจินตนาการถึงแรงโน้มถ่วงและไฟฟ้าว่าเป็นสองสิ่งที่แตกต่างกันในสาระสำคัญเดียวกัน

แรงตรงนี้ยังแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง แต่ความแตกต่างของขนาดของแรงไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วงนั้นน่าทึ่งมาก ด้วยความพยายามที่จะกำหนดลักษณะทั่วไปของแรงโน้มถ่วงและไฟฟ้า เราค้นพบว่าแรงไฟฟ้ามีความเหนือกว่าแรงโน้มถ่วงจนยากที่จะเชื่อว่าทั้งสองมีแหล่งกำเนิดเดียวกัน คุณจะพูดได้อย่างไรว่าอันหนึ่งมีพลังมากกว่าอันอื่น? ท้ายที่สุดแล้ว ทุกอย่างขึ้นอยู่กับว่ามวลคืออะไรและประจุเป็นเท่าใด เมื่อพูดถึงแรงโน้มถ่วงที่แรงแค่ไหน คุณไม่มีสิทธิ์พูดว่า: "เอามวลขนาดนี้มาเถอะ" เพราะคุณเป็นคนเลือกเอง แต่ถ้าเรายึดถือสิ่งที่ธรรมชาติเสนอให้เรา (ตัวเลขและหน่วยวัดของเธอเอง ซึ่งไม่เกี่ยวอะไรกับหน่วยนิ้ว ปี หรือหน่วยวัดของเรา) เราก็จะสามารถเปรียบเทียบได้ เราใช้อนุภาคที่มีประจุเบื้องต้น เช่น อิเล็กตรอน อนุภาคมูลฐานสองตัวซึ่งมีอิเล็กตรอนสองตัวเนื่องจากประจุไฟฟ้าผลักกันด้วยแรงที่แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกมัน และเนื่องจากแรงโน้มถ่วงพวกมันจึงถูกดึงดูดเข้าหากันอีกครั้งด้วยแรงที่แปรผกผันกับกำลังสองของ ระยะทาง

คำถาม: อัตราส่วนของแรงโน้มถ่วงต่อแรงไฟฟ้าเป็นเท่าใด? แรงโน้มถ่วงคือแรงผลักทางไฟฟ้า เช่นเดียวกับตัวเลขที่มีศูนย์ 42 ตัว สิ่งนี้ทำให้เกิดความสับสนอย่างสุดซึ้ง จำนวนมหาศาลเช่นนี้มาจากไหน?

ผู้คนมองหาค่าสัมประสิทธิ์มหาศาลนี้ในปรากฏการณ์ทางธรรมชาติอื่นๆ พวกเขาผ่านทุกประเภท ตัวเลขใหญ่และถ้าคุณต้องการ จำนวนมากทำไมไม่ลองพูดอัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางของจักรวาลต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน - น่าประหลาดใจที่นี่คือตัวเลขที่มีศูนย์ 42 ตัวด้วย พวกเขาจึงพูดว่า: บางทีสัมประสิทธิ์นี้อาจเท่ากับอัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอนต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของจักรวาลใช่ไหม นี่เป็นแนวคิดที่น่าสนใจ แต่เมื่อจักรวาลค่อยๆ ขยายตัว ค่าคงที่แรงโน้มถ่วงก็ต้องเปลี่ยนแปลงไปด้วย แม้ว่าสมมติฐานนี้จะยังไม่ได้รับการหักล้าง แต่เราไม่มีหลักฐานใด ๆ ที่สนับสนุนสมมติฐานนี้ ในทางตรงกันข้าม มีหลักฐานบางอย่างบ่งชี้ว่าค่าคงที่แรงโน้มถ่วงไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปในลักษณะนี้ จำนวนมหาศาลนี้ยังคงเป็นปริศนามาจนถึงทุกวันนี้

หน้า 56

กฎหมายของคูลลอมบ์ (การศึกษาชั้นประถมศึกษาปีที่ 10 หน้า 354-362)

กฎพื้นฐานของไฟฟ้าสถิต แนวคิดเรื่องวัตถุที่มีประจุแบบจุด

การวัดแรงกระทำระหว่างประจุโดยใช้สมดุลแรงบิด การทดลองของคูลอมบ์

คำจำกัดความของการชาร์จแบบจุด

กฎของคูลอมบ์ สูตรและสูตร

แรงคูลอมบ์

คำจำกัดความของหน่วยประจุ

สัมประสิทธิ์ในกฎของคูลอมบ์

การเปรียบเทียบแรงไฟฟ้าสถิตและแรงโน้มถ่วงในอะตอม

ความสมดุลของประจุไฟฟ้าสถิตและค่าของมัน ความหมายทางกายภาพ(โดยใช้ตัวอย่างสามข้อหา)

กฎพื้นฐานของไฟฟ้าสถิตคือกฎอันตรกิริยาของวัตถุที่มีประจุซึ่งมีประจุอยู่นิ่งสองจุด

ติดตั้งโดย Charles Augustin Coulon ในปี 1785 และมีชื่อของเขา

ในธรรมชาติ ไม่มีวัตถุที่มีประจุคล้ายจุด แต่ถ้าระยะห่างระหว่างวัตถุนั้นมากกว่าขนาดของวัตถุหลายเท่า รูปร่างและขนาดของวัตถุที่มีประจุจะไม่ส่งผลต่อปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุเหล่านั้นอย่างมีนัยสำคัญ ในกรณีนั้น วัตถุเหล่านี้ถือได้ว่าเป็นวัตถุจุด

ความแรงของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุที่มีประจุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางระหว่างพวกมัน ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าอากาศมีผลกระทบน้อยมากต่อความแรงของปฏิกิริยานี้ และปรากฏว่าเกือบจะเหมือนกับในสุญญากาศ

การทดลองของคูลอมบ์

ผลลัพธ์แรกในการวัดแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างประจุได้รับในปี พ.ศ. 2328 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Charles Augustin Coulomb

มีการใช้ความสมดุลของแรงบิดในการวัดแรง

ทรงกลมสีทองเล็กๆ บางๆ ที่ไม่มีประจุอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของลำแสงฉนวนที่ห้อยอยู่บนด้ายเงินที่ยืดหยุ่น ได้รับการปรับให้สมดุลที่ปลายอีกด้านของตัวโยกด้วยแผ่นกระดาษ

เมื่อหมุนตัวโยก มันจะสัมผัสกับทรงกลมที่มีประจุคงที่อันเดียวกัน ซึ่งส่งผลให้ประจุของมันถูกแบ่งเท่า ๆ กันระหว่างทรงกลม

เส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลมถูกเลือกให้เล็กกว่าระยะห่างระหว่างทรงกลมมาก เพื่อที่จะแยกอิทธิพลของขนาดและรูปร่างของวัตถุที่มีประจุต่อผลการวัด

ประจุแบบจุดคือวัตถุที่มีประจุซึ่งมีขนาดเล็กกว่าระยะห่างของการกระทำที่เป็นไปได้กับวัตถุอื่นมาก

ทรงกลมที่มีประจุเท่ากันเริ่มผลักกันและบิดเกลียว มุมการหมุนเป็นสัดส่วนกับแรงที่กระทำต่อทรงกลมที่กำลังเคลื่อนที่

ระยะห่างระหว่างทรงกลมวัดโดยใช้มาตราส่วนการสอบเทียบพิเศษ

ด้วยการคายประจุทรงกลม 1 หลังจากวัดแรงแล้วเชื่อมต่ออีกครั้งกับทรงกลมที่อยู่นิ่ง คูลอมบ์จะลดประจุบนทรงกลมที่มีปฏิสัมพันธ์ลง 2,4,8 เป็นต้น ครั้งหนึ่ง,

กฎของคูลอมบ์:

แรงอันตรกิริยาระหว่างประจุจุดคงที่สองประจุที่อยู่ในสุญญากาศนั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของโมดูลประจุและเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุเหล่านั้น และพุ่งไปตามแนวเส้นตรงที่เชื่อมต่อประจุ

k คือสัมประสิทธิ์สัดส่วน ขึ้นอยู่กับการเลือกระบบหน่วย

ฉันเรียกแรง F12 ว่าแรงคูลอมบ์

แรงคูลอมบ์เป็นศูนย์กลาง กล่าวคือ กำกับตามแนวเส้นเชื่อมต่อศูนย์ชาร์จ

ใน SI หน่วยประจุไม่ใช่พื้นฐาน แต่เป็นอนุพันธ์ และกำหนดโดยใช้แอมแปร์ซึ่งเป็นหน่วย SI พื้นฐาน

คูลอมบ์คือประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่านหน้าตัดของตัวนำที่กระแส 1 A ใน 1 วินาที

ใน SI ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนในกฎคูลอมบ์สำหรับสุญญากาศคือ:

k = 9*109 Nm2/Cl2

ค่าสัมประสิทธิ์มักเขียนเป็น:

e0 = 8.85*10-12 C2/(Nm2) – ค่าคงที่ทางไฟฟ้า

กฎของคูลอมบ์เขียนในรูปแบบ:

ถ้าประจุแบบจุดถูกวางในตัวกลางที่มีค่าการอนุญาตสัมพัทธ์ e นอกเหนือจากสุญญากาศ แรงคูลอมบ์จะลดลงด้วยปัจจัย e

สำหรับตัวกลางใดๆ ที่ไม่ใช่สุญญากาศ e > 1

ตามกฎของคูลอมบ์ ประจุสองจุดที่จุดละ 1 C ที่ระยะห่าง 1 เมตรในสุญญากาศ จะมีปฏิกิริยากับแรงหนึ่ง

จากการประมาณนี้ เห็นได้ชัดว่าประจุ 1 คูลอมบ์เป็นค่าที่สูงมาก

ในทางปฏิบัติ พวกเขาใช้หน่วยย่อย - µC (10-6), mC (10-3)

1 C มีประจุอิเล็กตรอน 6*1018

จากตัวอย่างของแรงอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอนในนิวเคลียส แสดงให้เห็นว่าแรงไฟฟ้าสถิตของอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคมีค่ามากกว่าแรงโน้มถ่วงประมาณ 39 ลำดับ อย่างไรก็ตาม แรงไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากอันตรกิริยาของวัตถุขนาดมหภาค (โดยทั่วไปเป็นกลางทางไฟฟ้า) ถูกกำหนดโดยประจุส่วนเกินที่มีขนาดเล็กมากเท่านั้น ดังนั้นจึงถือว่าไม่มากเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วง ซึ่งขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุ

ความสมดุลของประจุไฟฟ้าสถิตเป็นไปได้หรือไม่?

ลองพิจารณาระบบของประจุบวกสองประจุใน q1 และ q2

เราจะพบว่าจุดใดที่ควรวางประจุที่สามเพื่อให้อยู่ในสมดุล และเราจะกำหนดขนาดและสัญลักษณ์ของประจุนี้ด้วย

สมดุลสถิตเกิดขึ้นเมื่อผลรวมเรขาคณิต (เวกเตอร์) ของแรงที่กระทำต่อวัตถุมีค่าเท่ากับศูนย์

จุดที่แรงที่กระทำต่อประจุที่สาม q3 สามารถหักล้างซึ่งกันและกันได้จะอยู่บนเส้นตรงระหว่างประจุทั้งสอง

ในกรณีนี้ประจุ q3 อาจเป็นได้ทั้งบวกหรือลบ ในกรณีแรก แรงที่น่ารังเกียจจะได้รับการชดเชย ในส่วนที่สอง - แรงดึงดูด

เมื่อคำนึงถึงกฎของคูลอมบ์ สมดุลคงที่ของประจุจะเป็นในกรณีของ:

ความสมดุลของประจุ q3 ไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดหรือสัญญาณของประจุ

เมื่อประจุ q3 เปลี่ยนแปลง ทั้งแรงดึงดูด (บวก q3) และแรงผลัก (ลบ q3) จะเปลี่ยนเท่ากัน

หลังจากตัดสินใจแล้ว สมการกำลังสองสัมพันธ์กับ x แสดงว่าประจุของเครื่องหมายและขนาดใดๆ จะอยู่ในสมดุล ณ จุดที่ห่างจากประจุ q1:

ให้เราดูว่าตำแหน่งของการชาร์จครั้งที่สามจะคงที่หรือไม่เสถียร

(ในสภาวะสมดุลที่มั่นคง ร่างกายที่ถูกถอดออกจากตำแหน่งสมดุลจะกลับคืนสู่สภาพเดิม ในสภาวะสมดุลที่ไม่เสถียร ร่างกายจะเคลื่อนออกจากตำแหน่งนั้น)

ด้วยการกระจัดในแนวนอน แรงผลัก F31, F32 จะเปลี่ยนไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างประจุ ทำให้ประจุกลับสู่ตำแหน่งสมดุล

ด้วยการกระจัดในแนวนอน ความสมดุลของประจุ q3 จะเสถียร

ด้วยการกระจัดในแนวตั้ง ผลลัพธ์ F31, F32 จะดัน q3

ไปที่หน้า: