Coulombovi zakoni - metode odkrivanja in meje

Stroški in električna energija so pogoji, ki so obvezni za tiste primere, v katerih se opazuje interakcija napolnjenih teles. Sile odbijanja in privlačnosti izhajajo iz nabitih teles in se širijo hkrati v vseh smereh, postopoma izginejo. To silo so pravočasno odkrili slavni francoski naravoslovec Charles Coulomb in pravilo, kateremu se obremenjujejo obtožena telesa, se je od takrat imenovalo Coulombov zakon.

Charles Pendant

Francoski znanstvenik se je rodil v Franciji, kjer je dobil odlično izobrazbo. Aktivno je uporabil svoje znanje v inženirstvu in pomembno prispeval k teoriji mehanizmov. Obesek je avtor člankov, ki so proučevali delo. vetrnice, statistika različnih struktur, torzija niti pod vplivom zunanjih sil. Eno od teh del je pomagalo odkriti Coulomb-Amontonov zakon, ki pojasnjuje procese trenja. Vendar je glavni prispevek Charlesa Coulomba narejen za preučevanje statične elektrike. Eksperimenti, ki jih je vodil ta francoski znanstvenik, so ga pripeljali do razumevanja enega najbolj temeljnih fizikalnih zakonov. Njemu dolgujemo znanje o naravi interakcije nabitih teles.

Prazgodovina

Sile privlačenja in odbijanja, s katerimi električni nabori delujejo drug na drugega, so usmerjeni vzdolž premice, ki povezuje nabita telesa. S povečevanjem razdalje ta sila slabi. Sto stoletja pozneje Isaac Newton je odprl svojo svetovno pravo. t Francoski znanstvenik S. Coulon je eksperimentalno preučil načelo interakcije med napolnjenimi telesi in dokazal, da je narava take sile podobna silam agresije. Poleg tega se je izkazalo, da se interakcijska telesa v električnem polju obnašajo enako kot vsa telesa, ki imajo maso v gravitacijskem polju.

Coulomb naprava

Diagram naprave, s katero je Charles Coulomb naredil svoje meritve, je prikazan na sliki:

Kot lahko vidite, se v bistvu ta zasnova ne razlikuje od naprave, ki jo je nekoč meril Cavendish gravitacijska konstanta. Izolirna palica, obešena na tanko nit, se konča s kovinsko kroglo, do katere je določen električni naboj Še ena kovinska krogla se približuje krogli in nato, ko se približuje, se interakcijska sila meri glede na stopnjo sukanja niti.

Coulombski eksperiment

Coulomb je predlagal, da bi se Hookejev zakon, ki je bil takrat že znan, lahko uporabil za silo, s katero se sukane nit. Znanstvenik je primerjal spremembo sile na različnih razdaljah ene krogle od druge in ugotovil, da sila interakcije spreminja svojo vrednost v obratnem sorazmerju s kvadratom razdalje med kroglicami. Obesek je uspel spremeniti vrednosti napolnjene kroglice iz q v q / 2, q / 4, q / 8 itd. Z vsako spremembo naboja se je sila interakcije sorazmerno spremenila. Postopoma se je oblikovalo pravilo, ki se je kasneje imenovalo »Coulombov zakon«.

Opredelitev

Eksperimentalno je francoski znanstvenik dokazal, da so sile, s katerimi medsebojno vplivajo dva nabita telesa, sorazmerne zmnožku njihovih nabojev in obratno sorazmerne s kvadratom razdalje med naboji. Ta trditev je Coulombov zakon. V matematični obliki se lahko izrazi kot:

V tem izrazu:

• q je znesek pristojbine;
• d je razdalja med napolnjenimi telesi;
• k je električna konstanta.

Vrednost električne konstante je odvisna od izbire merske enote. V sodobnem sistemu se velikost električnega naboja meri v obeskih, električna konstanta pa v Newtonu × m ² / obesek ² .

Nedavne meritve so pokazale, da mora ta koeficient upoštevati dielektrično konstanto medija, v katerem se izvaja eksperiment. Sedaj je vrednost prikazana v obliki relacije k = k _¹ / e, kjer je ₁ električna konstanta, ki nam je že znana, in ni kazalec dielektrične konstante. V vakuumskih pogojih je ta vrednost enaka eni.

Zaključki iz Coulombovega zakona

Znanstvenik je eksperimentiral z različnimi naboji in preizkusil interakcijo med telesi z različnimi naboji. Seveda ni mogel izmeriti električnega naboja v nobeni enoti - ni bilo dovolj znanja ali ustreznih instrumentov. Charles Coulomb je lahko projektil delil z dotikom napolnjene krogle. Tako je prejel delne vrednosti prvotnega naboja. Serija poskusov je pokazala, da se električni naboj ohranja, izmenjava poteka brez povečanja ali zmanjšanja količine naboja. To temeljno načelo je bilo podlaga za zakon o ohranjanju električnega naboja. Trenutno je dokazano, da je ta zakon opazen tako v mikrokozmosu elementarnih delcev kot v makrosvetu zvezd in galaksij.

Pogoji, potrebni za izpolnitev Coulombovega zakona

Da bi bila zakonodaja izpolnjena z večjo natančnostjo, morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:

• Stroški morajo biti označeni. Z drugimi besedami, razdalja med opazovanimi napolnjenimi telesi mora biti veliko večja od njihove velikosti. Če imajo napolnjena telesa sferično obliko, lahko predpostavimo, da je celotna naboj na točki, ki je središče krogle.
• Izmerjeno telo mora biti pritrjeno. V nasprotnem primeru bodo na gibajoči se naboj vplivali številni zunanji dejavniki, na primer Lorentzova sila, ki daje obremenjenemu telesu dodaten pospešek. Tako kot magnetno polje gibajočega se napolnjenega telesa.
• Opazovana telesa morajo biti v vakuumu, da bi se izognili vplivom pretoka zraka na rezultate opazovanj.

Coulombov zakon in kvantna elektrodinamika

Z vidika kvantne elektrodinamike pride do interakcije nabitih teles z izmenjavo virtualnih fotonov. Obstoj takih neopazljivih delcev in ničelne mase, ne pa ničelne naboja, posredno potrjuje načelo negotovosti. Po tem principu lahko med trenutki emisije takšnega delca in njegovo absorpcijo obstaja virtualni foton. Manjša je razdalja med telesi, manj časa porabi foton na poti, zato je večja energija oddanih fotonov. Z majhno razdaljo med opaženimi naboji načelo negotovosti dovoljuje izmenjavo tako kratkovalovnih kot tudi dolgočalnih delcev in na velikih razdaljah kratkotalni fotoni ne sodelujejo pri izmenjavi.

Ali obstajajo omejitve za uporabo Coulombovega zakona

Coulombov zakon v celoti pojasnjuje obnašanje dveh točkovnih nabojev v vakuumu. Toda ko gre za resnična telesa, je treba upoštevati obseg dimenzij nabitih teles in značilnosti okolja, v katerem se izvaja opazovanje. Na primer, nekateri raziskovalci so opazili, da telo, ki nosi majhen naboj in je prisiljeno v električno polje drugega objekta z velikim nabojem, postane privlačno. V tem primeru trditev, da se podobna nabojna telesa medsebojno odvračajo, ne uspe in je treba poiskati drugo razlago za opazovani pojav. Najverjetneje tukaj ni razprave o kršitvi Coulombovega zakona ali načela ohranjanja električnega naboja - možno je, da opazujemo pojave, ki jih do konca niso preučevali, kar znanost lahko pojasni malo kasneje.