De wet van Coulomb en de toepassing ervan in de elektrotechniek

Net als in de Newtoniaanse mechanica vindt altijd zwaartekrachtinteractie plaats tussen lichamen met massa's, net als in de elektrodynamica is elektrische interactie kenmerkend voor lichamen met elektrische ladingen. Elektrische lading wordt aangeduid met het symbool «q» of «Q».

We kunnen zelfs zeggen dat het concept van elektrische lading q in de elektrodynamica enigszins lijkt op het concept van zwaartekrachtmassa m in de mechanica. Maar in tegenstelling tot zwaartekrachtmassa kenmerkt elektrische lading de eigenschap van lichamen en deeltjes om elektromagnetische interacties aan te gaan, en deze interacties zijn, zoals u begrijpt, niet zwaartekracht.

Elektrische ladingen

Menselijke ervaring in de studie van elektrische verschijnselen bevat veel experimentele resultaten, en al deze feiten stelden natuurkundigen in staat om de volgende ondubbelzinnige conclusies te trekken over elektrische ladingen:

1. Er zijn twee soorten elektrische ladingen - voorwaardelijk kunnen ze worden verdeeld in positief en negatief.

2.Elektrische ladingen kunnen worden overgedragen van het ene geladen object naar het andere: bijvoorbeeld door lichamen met elkaar in contact te brengen - de lading daartussen kan worden gescheiden. In dit geval is de elektrische lading helemaal geen verplicht onderdeel van het lichaam: onder verschillende omstandigheden kan hetzelfde object een lading van verschillende grootte en teken hebben, of het kan geen lading hebben. De lading is dus niet iets dat inherent is aan de drager, en tegelijkertijd kan de lading niet bestaan ​​zonder de drager.

3. Terwijl zwaartekrachtlichamen elkaar altijd aantrekken, kunnen elektrische ladingen elkaar zowel aantrekken als afstoten. Gelijksoortige ladingen trekken elkaar aan, gelijksoortige ladingen stoten elkaar af.

Ladingdragers zijn elektronen, protonen en andere elementaire deeltjes. Er zijn twee soorten elektrische ladingen: positief en negatief. De positieve ladingen zijn die op het met leer ingewreven glas verschijnen. Negatief - Ladingen die voorkomen op met bont gewreven barnsteen. De autoriteiten belast met de aanklachten met dezelfde naam dringen terug. Objecten met tegengestelde ladingen trekken elkaar aan.

De wet van behoud van elektrische lading is een fundamentele natuurwet en luidt als volgt: «de algebraïsche som van ladingen van alle lichamen in een geïsoleerd systeem blijft constant». Dit betekent dat in een gesloten systeem het verschijnen of verdwijnen van ladingen voor slechts één teken onmogelijk is.

De algebraïsche som van ladingen in een geïsoleerd systeem wordt constant gehouden. Ladingdragers kunnen van het ene lichaam naar het andere gaan of zich binnen een lichaam verplaatsen, in een molecuul, atoom. De lading is onafhankelijk van het referentiekader.

Tegenwoordig is de wetenschappelijke opvatting dat ladingdragers oorspronkelijk elementaire deeltjes waren.Elementaire deeltjes neutronen (elektrisch neutraal), protonen (positief geladen) en elektronen (negatief geladen) vormen atomen.

De kernen van atomen zijn opgebouwd uit protonen en neutronen, en elektronen vormen de schillen van atomen. De moduli van de ladingen van een elektron en een proton zijn in grootte gelijk aan de elementaire lading e, maar in teken zijn de ladingen van deze deeltjes tegengesteld aan elkaar.

Interactie van elektrische ladingen - de wet van Coulomb

Wat betreft de directe interactie van elektrische ladingen met elkaar, in 1785 stelde de Franse natuurkundige Charles Coulomb experimenteel vast en beschreef deze basiswet van elektrostatica, de basiswet van de natuur, die niet voortvloeit uit andere wetten. In zijn werk bestudeert de wetenschapper de interactie van stationaire puntgeladen lichamen en meet hij de krachten van hun wederzijdse afstoting en aantrekking.

Coulomb stelde experimenteel het volgende vast: «De krachten van interactie van stationaire ladingen zijn recht evenredig met het product van de modules en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand daartussen.»

Dit is de formulering van de wet van Coulomb. En hoewel puntladingen in de natuur niet bestaan, kunnen we alleen in termen van puntladingen praten over de afstand daartussen, binnen deze formulering van de wet van Coulomb.

Als de afstanden tussen de lichamen hun afmetingen aanzienlijk overschrijden, zullen noch de grootte noch de vorm van de geladen lichamen hun interactie in het bijzonder beïnvloeden, wat betekent dat de lichamen voor dit probleem redelijk als puntachtig kunnen worden beschouwd.

Laten we naar een voorbeeld kijken. Laten we een paar geladen ballen aan touwtjes hangen.Omdat ze op de een of andere manier geladen zijn, zullen ze ofwel afstoten ofwel aantrekken. Aangezien de krachten zijn gericht langs een rechte lijn die deze lichamen verbindt, zijn dit centrale krachten.

Om de krachten aan te duiden die op elk van de ladingen van de andere werken, schrijven we: F12 is de kracht van de tweede lading op de eerste, F21 is de kracht van de eerste lading op de tweede, r12 is de straalvector van de tweede puntlading naar de eerste. Als de ladingen hetzelfde teken hebben, dan wordt de kracht F12 gezamenlijk op de straalvector gericht, maar als de ladingen verschillende tekens hebben, dan wordt de kracht F12 tegen de straalvector gericht.

Met behulp van de wet van interactie van puntladingen (de wet van Coulomb), kan de interactiekracht nu worden gevonden voor alle puntladingen of puntladingslichamen. Als de lichamen niet puntvormig zijn, worden ze mentaal opgedeeld in pastelkleuren van elementen, die elk als een puntlading kunnen worden opgevat.

Na het vinden van de krachten die werken tussen alle kleine elementen, tellen deze krachten geometrisch op - ze vinden de resulterende kracht. Elementaire deeltjes interageren ook met elkaar volgens de wet van Coulomb, en tot op heden zijn er geen schendingen van deze fundamentele wet van elektrostatica waargenomen.

Toepassing van de wet van Coulomb in de elektrotechniek

Er is geen gebied in de moderne elektrotechniek waar de wet van Coulomb niet in een of andere vorm werkt. Beginnend met een elektrische stroom, eindigend met een eenvoudig opgeladen condensator. Vooral die gebieden die te maken hebben met elektrostatica - ze zijn 100% gerelateerd aan de wet van Coulomb. Laten we een paar voorbeelden bekijken.

Het eenvoudigste geval is de introductie van een diëlektricum.De kracht van interactie van ladingen in een vacuüm is altijd groter dan de kracht van interactie van dezelfde ladingen onder omstandigheden waarin een soort diëlektricum ertussen is geplaatst.

De diëlektrische constante van een medium is precies die waarde waarmee je de waarden van de krachten kwantitatief kunt bepalen, ongeacht de afstand tussen de ladingen en hun grootte. Het is voldoende om de interactiekracht van ladingen in een vacuüm te delen door de diëlektrische constante van het geïntroduceerde diëlektricum - we krijgen de interactiekracht in aanwezigheid van een diëlektricum.

Geavanceerde onderzoeksapparatuur - een deeltjesversneller. De werking van geladen deeltjesversnellers is gebaseerd op het fenomeen van interactie van een elektrisch veld en geladen deeltjes. Het elektrische veld werkt wel in de versneller, waardoor de energie van het deeltje toeneemt.

Als we hier het versnelde deeltje beschouwen als een puntlading, en de werking van het versnellende elektrische veld van de versneller als de totale kracht van andere puntladingen, dan wordt in dit geval de wet van Coulomb volledig nageleefd.Het magnetische veld stuurt het deeltje alleen door de Lorentz-kracht, maar verandert zijn energie niet, maar bepaalt alleen het traject voor beweging van deeltjes in de versneller.

Beschermende elektrische constructies. Belangrijke elektrische installaties zijn altijd uitgerust met iets dat op het eerste gezicht zo eenvoudig is als een bliksemafleider. En de bliksemafleider in zijn werk gaat ook niet voorbij zonder de wet van Coulomb in acht te nemen. Tijdens een onweersbui verschijnen grote geïnduceerde ladingen op aarde - volgens de wet van Coulomb worden ze aangetrokken in de richting van de onweerswolk. Het resultaat is een sterk elektrisch veld op het aardoppervlak.

De intensiteit van dit veld is bijzonder hoog in de buurt van scherpe geleiders, en daarom wordt een coronale ontlading ontstoken aan het puntige uiteinde van de bliksemafleider - de lading van de aarde heeft de neiging om, in overeenstemming met de wet van Coulomb, te worden aangetrokken door de tegengestelde lading van de bliksemschicht. wolk.

De lucht nabij de bliksemafleider is sterk geïoniseerd als gevolg van de corona-ontlading. Als gevolg hiervan neemt de sterkte van het elektrische veld nabij de punt af (evenals in elke draad), kunnen geïnduceerde ladingen zich niet ophopen op het gebouw en wordt de kans op bliksem verkleind. Als de bliksem de bliksemafleider raakt, gaat de lading gewoon naar de aarde en beschadigt de installatie niet.