Định luật Coulomb và ứng dụng trong kỹ thuật điện

Cũng như trong cơ học Newton, tương tác hấp dẫn luôn xảy ra giữa các vật có khối lượng, tương tự như điện động lực học, tương tác điện là đặc trưng của các vật mang điện tích. Điện tích được biểu thị bằng ký hiệu «q» hoặc «Q».

Thậm chí có thể nói rằng khái niệm điện tích q trong điện động lực học phần nào giống với khái niệm khối lượng hấp dẫn m trong cơ học. Nhưng không giống như khối lượng hấp dẫn, điện tích đặc trưng cho tính chất của các vật thể và hạt tham gia vào các tương tác điện từ, và những tương tác này, như bạn hiểu, không phải là lực hấp dẫn.

Phí điện

Kinh nghiệm của con người trong việc nghiên cứu các hiện tượng điện chứa nhiều kết quả thí nghiệm và tất cả những sự thật này cho phép các nhà vật lý đi đến kết luận rõ ràng sau đây về điện tích:

1. Điện tích có hai loại - có điều kiện chúng có thể được chia thành dương và âm.

2.Các điện tích có thể được truyền từ vật tích điện này sang vật tích điện khác: ví dụ, bằng cách cho các vật tiếp xúc với nhau - điện tích giữa chúng có thể được tách ra. Trong trường hợp này, điện tích hoàn toàn không phải là thành phần bắt buộc của vật thể: trong các điều kiện khác nhau, cùng một vật thể có thể mang điện tích có độ lớn và dấu khác nhau, hoặc có thể không mang điện tích. Như vậy điện tích không phải là cái gì vốn có trong hạt tải điện, đồng thời điện tích không thể tồn tại nếu không có hạt tải điện.

3. Trong khi các vật hấp dẫn luôn hút nhau thì các điện tích có thể vừa hút nhau vừa đẩy nhau. Các điện tích cùng loại hút nhau, các điện tích cùng loại đẩy nhau.

Hạt mang điện là electron, proton và các hạt cơ bản khác. Có hai loại điện tích dương và âm. Các điện tích dương là những điện tích xuất hiện trên kính được cọ xát với da. Âm tính - Các điện tích xảy ra trên hổ phách có lông cọ xát. Cơ quan chức năng buộc tội cùng tên đẩy lùi. Các vật mang điện tích trái dấu thì hút nhau.

Định luật bảo toàn điện tích là một định luật cơ bản của tự nhiên, nó có nội dung như sau: «tổng đại số điện tích của mọi vật trong một hệ cô lập không đổi». Điều này có nghĩa là trong một hệ thống khép kín, sự xuất hiện hoặc biến mất của các điện tích chỉ đối với một dấu hiệu là không thể.

Tổng đại số các điện tích trong một hệ cô lập được giữ không đổi. Hạt mang điện có thể di chuyển từ vật này sang vật khác hoặc di chuyển bên trong vật, trong phân tử, nguyên tử. Điện tích không phụ thuộc vào hệ quy chiếu.

Ngày nay, quan điểm khoa học cho rằng các hạt mang điện ban đầu là các hạt cơ bản.Các hạt cơ bản neutron (trung hòa về điện), proton (tích điện dương) và electron (tích điện âm) tạo nên nguyên tử.

Hạt nhân của các nguyên tử được tạo thành từ các proton và neutron, và các electron tạo thành vỏ nguyên tử. Mô đun điện tích của electron và proton có độ lớn bằng điện tích cơ bản e, nhưng về dấu thì điện tích của các hạt này trái dấu nhau.

Tương tác của các điện tích — Định luật Coulomb

Đối với sự tương tác trực tiếp của các điện tích với nhau, sau đó vào năm 1785, nhà vật lý người Pháp Charles Coulomb đã thiết lập và mô tả bằng thực nghiệm định luật tĩnh điện cơ bản này, định luật cơ bản của tự nhiên, không tuân theo bất kỳ định luật nào khác. Trong công trình của mình, nhà khoa học nghiên cứu sự tương tác của các vật thể tích điện điểm đứng yên và đo lực đẩy và lực hút lẫn nhau của chúng.

Coulomb đã thiết lập bằng thực nghiệm như sau: «Lực tương tác của các điện tích đứng yên tỷ lệ thuận với tích của các mô-đun và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.»

Đây là công thức của định luật Coulomb. Và mặc dù điện tích điểm không tồn tại trong tự nhiên, nhưng chỉ dưới dạng điện tích điểm, chúng ta mới có thể nói về khoảng cách giữa chúng, trong công thức này của định luật Coulomb.

Trên thực tế, nếu khoảng cách giữa các vật thể vượt quá kích thước của chúng một cách đáng kể, thì kích thước cũng như hình dạng của các vật thể tích điện sẽ không ảnh hưởng đặc biệt đến tương tác của chúng, điều đó có nghĩa là các vật thể cho vấn đề này có thể được coi là giống như điểm.

Hãy xem một ví dụ. Hãy treo một số quả cầu tích điện vào dây.Bởi vì chúng được tích điện theo một cách nào đó, chúng sẽ đẩy hoặc hút. Vì các lực hướng dọc theo một đường thẳng nối các vật thể này nên đây là các lực trung tâm.

Để biểu thị các lực tác dụng lên mỗi điện tích từ điện tích kia, chúng ta sẽ viết: F12 là lực của điện tích thứ hai lên điện tích thứ nhất, F21 là lực của điện tích thứ nhất lên điện tích thứ hai, r12 là vectơ bán kính từ điện tích thứ hai điện tích điểm đầu tiên. Nếu các điện tích cùng dấu thì lực F12 sẽ cùng hướng với vectơ bán kính, còn nếu các điện tích khác dấu thì lực F12 cùng hướng với vectơ bán kính.

Sử dụng định luật tương tác của các điện tích điểm (Định luật Coulomb), giờ đây có thể tìm được lực tương tác cho bất kỳ điện tích điểm hoặc vật thể mang điện tích điểm nào. Nếu các cơ thể không có hình dạng điểm, chúng sẽ bị chia nhỏ về mặt tinh thần thành các phần tử phấn màu, mỗi phần tử có thể được coi là một điện tích điểm.

Sau khi tìm được các lực tác dụng giữa tất cả các phần tử nhỏ, các lực này cộng lại về mặt hình học—chúng ta tìm được lực tổng hợp. Các hạt cơ bản cũng tương tác với nhau theo định luật Coulomb, và cho đến nay không có vi phạm nào đối với định luật tĩnh điện cơ bản này được quan sát thấy.

Ứng dụng định luật Coulomb trong kỹ thuật điện

Không có lĩnh vực nào trong kỹ thuật điện hiện đại mà định luật Coulomb không hoạt động dưới dạng này hay dạng khác. Bắt đầu bằng một dòng điện, kết thúc bằng một tụ điện được tích điện đơn giản. Đặc biệt là những lĩnh vực liên quan đến tĩnh điện - chúng liên quan 100% đến định luật Coulomb. Hãy xem xét một vài ví dụ.

Trường hợp đơn giản nhất là sự ra đời của một chất điện môi.Lực tương tác của các điện tích trong chân không luôn lớn hơn lực tương tác của các điện tích cùng dấu trong điều kiện đặt giữa chúng một loại điện môi nào đó.

Hằng số điện môi của môi trường chính xác là giá trị cho phép bạn xác định một cách định lượng giá trị của các lực, bất kể khoảng cách giữa các điện tích và độ lớn của chúng. Chỉ cần chia lực tương tác của các điện tích trong chân không cho hằng số điện môi của chất điện môi được đưa vào - chúng ta có được lực tương tác khi có chất điện môi.

Thiết bị nghiên cứu tinh vi — máy gia tốc hạt. Hoạt động của máy gia tốc hạt tích điện dựa trên hiện tượng tương tác giữa điện trường và các hạt tích điện. Điện trường thực sự hoạt động trong máy gia tốc, làm tăng năng lượng của hạt.

Nếu ở đây chúng ta coi hạt được gia tốc là một điện tích điểm, và tác dụng của điện trường gia tốc của máy gia tốc là tổng lực từ các điện tích điểm khác, thì trong trường hợp này, định luật Coulomb được tuân thủ đầy đủ. lực Lorentz, nhưng không làm thay đổi năng lượng của nó, mà chỉ thiết lập quỹ đạo chuyển động của các hạt trong máy gia tốc.

Cấu trúc điện bảo vệ. Các thiết bị điện quan trọng luôn được trang bị một thứ thoạt nhìn đơn giản như cột thu lôi. Và cột thu lôi trong công việc của nó cũng không đi qua mà không tuân theo định luật Coulomb. Trong cơn giông bão, các điện tích cảm ứng lớn xuất hiện trên Trái đất — theo định luật Coulomb, chúng bị hút theo hướng của đám mây giông. Kết quả là một điện trường mạnh trên bề mặt trái đất.

Cường độ của trường này đặc biệt cao gần các dây dẫn sắc bén, và do đó, một sự phóng điện nhật hoa được đốt cháy ở đầu nhọn của cột thu lôi - điện tích từ Trái đất có xu hướng, tuân theo định luật Coulomb, bị thu hút bởi điện tích trái dấu của tia sét. đám mây.

Không khí gần cột thu lôi bị ion hóa cao do phóng điện corona. Do đó, cường độ của điện trường gần đầu giảm (cũng như bên trong bất kỳ dây nào), điện tích cảm ứng không thể tích tụ trên tòa nhà và xác suất sét giảm. Nếu sét đánh vào cột thu lôi, thì điện tích sẽ đơn giản đi xuống Trái đất và sẽ không làm hỏng quá trình cài đặt.