Kulono dėsnis ir jo taikymas elektrotechnikoje

Kaip ir Niutono mechanikoje, gravitacinė sąveika visada vyksta tarp kūnų su masėmis, panašiai kaip ir elektrodinamika, elektrinė sąveika būdinga kūnams su elektros krūviais. Elektros krūvis žymimas simboliu «q» arba «Q».

Galima net teigti, kad elektros krūvio q samprata elektrodinamikoje yra šiek tiek panaši į gravitacinės masės m sampratą mechanikoje. Tačiau skirtingai nuo gravitacinės masės, elektros krūvis apibūdina kūnų ir dalelių savybę į elektromagnetinę sąveiką, ir ši sąveika, kaip jūs suprantate, nėra gravitacinė.

Elektros krūviai

Žmonių patirtis tiriant elektrinius reiškinius turi daug eksperimentinių rezultatų, ir visi šie faktai leido fizikai padaryti tokias nedviprasmiškas išvadas apie elektros krūvius:

1. Elektros krūviai yra dviejų tipų — sąlygiškai juos galima skirstyti į teigiamus ir neigiamus.

2.Elektros krūviai gali būti perduodami iš vieno įkrauto objekto į kitą: pavyzdžiui, susiliečiant kūnus vienas su kitu – tarp jų esantis krūvis gali būti atskirtas. Šiuo atveju elektros krūvis apskritai nėra privalomas kūno komponentas: skirtingomis sąlygomis tas pats objektas gali turėti skirtingo dydžio ir ženklo krūvį arba gali neturėti krūvio. Taigi krūvis nėra kažkas būdingo nešikliui, ir tuo pačiu krūvis negali egzistuoti be nešiklio.

3. Nors gravitaciniai kūnai visada traukia vienas kitą, elektros krūviai gali ir traukti vienas kitą, ir atstumti. Kaip krūviai vienas kitą traukia, kaip krūviai atstumia.

Krūvio nešėjai yra elektronai, protonai ir kitos elementarios dalelės. Yra dviejų tipų elektros krūviai - teigiamas ir neigiamas. Teigiami krūviai yra tie, kurie atsiranda ant stiklo, įtrinto oda. Neigiamas – ant kailiu patrinto gintaro atsiranda krūviai. To paties pavadinimo kaltinimais apkaltintos valdžios institucijos atsisako. Priešingų krūvių objektai traukia vienas kitą.

Elektros krūvio tvermės dėsnis yra pagrindinis gamtos dėsnis, jis skamba taip: „visų izoliuotos sistemos kūnų algebrinė krūvių suma išlieka pastovi“. Tai reiškia, kad uždaroje sistemoje mokesčių atsiradimas ar išnykimas tik vienam ženklui yra neįmanomas.

Algebrinė krūvių suma izoliuotoje sistemoje išlaikoma pastovi. Krūvio nešikliai gali judėti iš vieno kūno į kitą arba judėti kūno viduje, molekulėje, atome. Mokestis nepriklauso nuo atskaitos sistemos.

Šiandien mokslinė nuomonė yra tokia, kad iš pradžių krūvininkai buvo elementarios dalelės.Elementariosios dalelės neutronai (elektriškai neutralūs), protonai (teigiamai įkrauti) ir elektronai (neigiamai įkrauti) sudaro atomus.

Atomų branduoliai yra sudaryti iš protonų ir neutronų, o elektronai sudaro atomų apvalkalus. Elektrono ir protono krūvių moduliai yra lygūs elementariajam krūviui e, tačiau ženkle šių dalelių krūviai yra priešingi vienas kitam.

Elektros krūvių sąveika – Kulono dėsnis

Kalbant apie tiesioginę elektros krūvių tarpusavio sąveiką, tai 1785 metais prancūzų fizikas Charlesas Coulombas eksperimentiškai nustatė ir aprašė šį pagrindinį elektrostatikos dėsnį – pagrindinį gamtos dėsnį, kuris neišplaukia iš jokių kitų dėsnių. Savo darbe mokslininkas tiria nejudančių taškinio krūvio kūnų sąveiką ir matuoja jų tarpusavio atstūmimo ir traukos jėgas.

Kulonas eksperimentiškai nustatė: „Stacionarių krūvių sąveikos jėgos yra tiesiogiai proporcingos modulių sandaugai ir atvirkščiai proporcingos atstumo tarp jų kvadratui“.

Tai yra Kulono dėsnio formuluotė. Ir nors taškiniai krūviai gamtoje neegzistuoja, tik taškiniais krūviais galime kalbėti apie atstumą tarp jų pagal šią Kulono dėsnio formuluotę.

Tiesą sakant, jei atstumai tarp kūnų žymiai viršija jų dydžius, nei įkrautų kūnų dydis, nei forma neturės ypatingos įtakos jų sąveikai, o tai reiškia, kad šios problemos kūnai gali būti laikomi taškiniais.

Pažiūrėkime į pavyzdį. Pakabinkime keletą įkrautų kamuoliukų ant virvelių.Kadangi jie tam tikru būdu yra įkrauti, jie arba atstums, arba pritrauks. Kadangi jėgos nukreiptos išilgai tiesia linija, jungiančia šiuos kūnus, tai yra centrinės jėgos.

Norėdami pažymėti jėgas, veikiančias kiekvieną iš kito krūvį, parašysime: F12 yra antrojo krūvio jėga, F21 yra pirmojo krūvio jėga antruoju, r12 yra spindulio vektorius nuo antrojo. taško mokestis į pirmąjį. Jei krūviai turi tą patį ženklą, tada jėga F12 bus kartu nukreipta į spindulio vektorių, bet jei krūviai turi skirtingus ženklus, tada jėga F12 bus nukreipta prieš spindulio vektorių.

Taikant taškinių krūvių sąveikos dėsnį (Kulono dėsnį), sąveikos jėgą dabar galima rasti bet kokiems taškiniams krūviams ar taškiniams krūviams. Jei kūnai nėra taško formos, jie mintyse suskaidomi į elementų pasteles, kurių kiekvieną galima laikyti taškiniu krūviu.

Radus jėgas, veikiančias tarp visų mažų elementų, šios jėgos sumuojasi geometriškai – jos randa gaunamą jėgą. Elementariosios dalelės taip pat sąveikauja viena su kita pagal Kulono dėsnį ir iki šiol nepastebėta jokių šio pagrindinio elektrostatikos dėsnio pažeidimų.

Kulono dėsnio taikymas elektrotechnikoje

Šiuolaikinėje elektrotechnikoje nėra tokios srities, kurioje Kulono dėsnis neveiktų viena ar kita forma. Pradedant elektros srove, baigiant tiesiog įkrautu kondensatoriumi. Ypač tos sritys, kurios susijusios su elektrostatika – jos 100% susijusios su Kulono dėsniu. Pažvelkime tik į kelis pavyzdžius.

Paprasčiausias atvejis yra dielektriko įvedimas.Krūvių sąveikos jėga vakuume visada yra didesnė už tų pačių krūvių sąveikos jėgą sąlygomis, kai tarp jų yra koks nors dielektrikas.

Terpės dielektrinė konstanta yra būtent ta vertė, leidžianti kiekybiškai nustatyti jėgų reikšmes, neatsižvelgiant į atstumą tarp krūvių ir jų dydžių. Pakanka padalyti krūvių sąveikos jėgą vakuume iš įvesto dielektriko dielektrinės konstantos — gauname sąveikos jėgą esant dielektrikui.

Sudėtinga tyrimų įranga – dalelių greitintuvas. Įkrautų dalelių greitintuvų veikimas pagrįstas elektrinio lauko ir įkrautų dalelių sąveikos reiškiniu. Elektrinis laukas veikia akceleratoriuje, padidindamas dalelės energiją.

Jeigu čia įsibėgėjusią dalelę laikysime taškiniu krūviu, o greitinančiojo elektrinio lauko veikimą kaip bendrą jėgą nuo kitų taškinių krūvių, tai šiuo atveju visiškai laikomasi Kulono dėsnio Magnetinis laukas nukreipia dalelę tik per Lorenco jėga, bet nekeičia jos energijos, o tik nustato dalelių judėjimo greitintuve trajektoriją.

Apsauginės elektros konstrukcijos. Svarbiose elektros instaliacijose visada yra iš pirmo žvilgsnio toks paprastas daiktas kaip žaibolaidis. O žaibolaidis savo darbe taip pat nepraeina nepaisydamas Kulono dėsnio. Perkūnijos metu Žemėje atsiranda dideli sukelti krūviai – pagal Kulono dėsnį jie traukiami perkūnijos debesies kryptimi. Rezultatas yra stiprus elektrinis laukas žemės paviršiuje.

Šio lauko intensyvumas ypač didelis šalia aštrių laidininkų, todėl smailiame žaibolaidžio gale užsidega vainikinė iškrova – Žemės krūvis, paklusdamas Kulono dėsniui, yra linkęs pritraukti priešingo perkūno krūvio. debesis.

Oras šalia žaibolaidžio yra labai jonizuotas dėl vainikinės iškrovos. Dėl to mažėja elektrinio lauko stiprumas prie galo (kaip ir bet kokio laido viduje), ant pastato negali kauptis indukuoti krūviai, sumažėja žaibo tikimybė. Jei žaibas trenks į žaibolaidį, tada įkrova tiesiog pateks į Žemę ir nesugadins įrenginio.