Кулонски закон - методи за откриване и граници

Таксите и електроенергията са термини, които са задължителни за случаите, когато се наблюдава взаимодействие на заредени тела. Силите на отблъскване и привличане произтичат от заредени тела и се разпространяват едновременно във всички посоки, постепенно изчезват. Тази сила е била открита своевременно от известния френски натуралист Чарлз Кулон и правилото, на което се подчиняват заредените органи, се нарича оттогава закона на Кулон.

Чарлз Pendant

Френски учен е роден във Франция, където получава отлично образование. Той активно прилага знанията си в инженерството и допринася значително за теорията на механизмите. Висулка е автор на документи, които изучават работата. вятърни мелници, статистика на различни структури, усукване на нишки под влияние на външни сили. Едно от тези работи е помогнало за откриването на закона на Кулон-Амонтон, който обяснява процесите на триене. Но основният принос на Чарлз Кулон е направен за изучаването на статичното електричество. Експериментите, провеждани от този френски учен, го доведоха до разбирането на един от най-фундаменталните закони на физиката. За него дължим познание за естеството на взаимодействието на заредените тела.

праистория

Силите на привличане и отблъскване, с които електрическите заряди действат един върху друг, са насочени по права линия, свързваща заредените тела. С увеличаване на разстоянието тази сила отслабва. Столетие по-късно Исак Нютон отвори световно право на Френският учен С. Кулон експериментално изследва принципа на взаимодействие между заредени тела и доказва, че природата на такава сила е подобна на агресивните сили. Освен това, както се оказа, взаимодействащите тела в електричното поле се държат по същия начин, както всички тела, притежаващи маса в гравитационното поле.

Кулонско устройство

На фигурата е показана диаграма на устройството, с което Charles Coulomb прави измерванията си:

Както виждате, по същество, този дизайн не се различава от устройството, което по едно време измерваше Кавендиш гравитационна константа. Изолационният прът, окачен на тънка нишка, завършва с метална топка, към която има определен електрически заряд Друга метална топка се доближава по-близо до топката и след това, докато се приближава, силата на взаимодействие се измерва в зависимост от степента на усукване на конеца.

Кулонов експеримент

Кулон предполага, че законът на Hooke, който тогава е бил вече известен, може да се приложи към силата, с която се извива нишката. Ученият сравнява промяната в сила на различни разстояния от една топка от друга и открива, че силата на взаимодействие променя своята стойност в обратна пропорция с квадрата на разстоянието между топките. Висулката успя да промени стойностите на заредената топка от q на q / 2, q / 4, q / 8 и така нататък. С всяка смяна на таксата силата на взаимодействие се променя пропорционално на нейната стойност. Така постепенно се формулира правило, което по-късно се нарича „Законът на Кулон“.

дефиниция

Експериментално френският учен доказа, че силите, с които взаимодействат две заредени тела, са пропорционални на произведението на техните заряди и са обратно пропорционални на квадрата на разстоянието между зарядите. Това твърдение е законът на Кулон. В математическа форма тя може да се изрази като:

В този израз:

• q е размерът на таксата;
• d е разстоянието между заредените тела;
• k е електрическата константа.

Стойността на електрическата константа зависи от избора на единица за измерване. В съвременната система величината на електрическия заряд се измерва в висулките, а електрическата константа съответно в Нютон × m ² / висулка ² .

Последните измервания показаха, че този коефициент трябва да отчита диелектричната константа на средата, в която се провежда експеримента. Сега стойността е показана под формата на отношението k = k _¹ / e, където до ₁ е вече познатата ни електрическа константа и не е индикатор за диелектричната константа. В вакуумни условия тази стойност е равна на единица.

Заключения от закона на Кулон

Ученият експериментира с различни такси, тествайки взаимодействието между тела с различни такси. Разбира се, той не можеше да измери електрическия заряд във всички единици - нямаше достатъчно знания или подходящи инструменти. Чарлз Кулон можеше да раздели снаряда чрез докосване на заредената топка. Така той получил частичните стойности на първоначалното зареждане. Поредица от експерименти показа, че електрическият заряд е запазен, обменът става без увеличаване или намаляване на количеството на заряда. Този основен принцип е в основата на закона за запазване на електрическия заряд. В момента се доказва, че този закон се наблюдава както в микрокосмоса на елементарните частици, така и в макросвета на звездите и галактиките.

Необходими условия за изпълнение на закона на Кулон

За да може законът да бъде изпълнен с по-голяма точност, трябва да бъдат изпълнени следните условия:

• Таксите трябва да бъдат посочени. С други думи, разстоянието между наблюдаваните заредени тела трябва да бъде много по-голямо от техния размер. Ако заредените тела имат сферична форма, тогава можем да приемем, че целият заряд е в точка, която е центъра на сферата.
• Измереното тяло трябва да бъде фиксирано. В противен случай многобройни външни фактори ще повлияят на движещия се заряд, например, на силата на Лоренц, която дава на ускореното тяло допълнително ускорение. Както и магнитното поле на движещо се заредено тяло.
• Наблюдаваните органи трябва да бъдат във вакуум, за да се избегнат ефектите от въздушните масови потоци върху резултатите от наблюденията.

Кулонският закон и квантовата електродинамика

От гледна точка на квантовата електродинамика, взаимодействието на заредени тела се осъществява чрез обмена на виртуални фотони. Наличието на такива ненаблюдаеми частици и нулева маса, но не и нулева такса, се потвърждава непряко от принципа на несигурност. Според този принцип може да съществува виртуален фотон между моментите на излъчване на такава частица и неговата абсорбция. Колкото по-малко е разстоянието между телата, толкова по-малко време прекарва фотонът по пътя, така че колкото по-голяма е енергията на излъчените фотони. С малко разстояние между наблюдаваните заряди, принципът на несигурност позволява обмена както на късовълновите, така и на дългите вълни частици, а на големи разстояния късоволновите фотони не участват в обмена.

Има ли ограничения за прилагането на закона на Кулон

Законът на Кулон напълно обяснява поведението на две точкови заряди във вакуум. Но когато става въпрос за реални тела, трябва да се вземат под внимание размерите на заредените тела и характеристиките на средата, в която се извършва наблюдението. Например, някои изследователи са забелязали, че тялото, което носи малък заряд и е принудено в електрическото поле на друг обект с голям заряд, започва да се привлича от това зареждане. В този случай изявлението, че подобно заредени тела се отблъскват взаимно, се проваля и трябва да се търси друго обяснение за наблюдаваното явление. Най-вероятно тук няма дискусия за нарушение на закона на Кулон или на принципа на запазване на електрическия заряд - възможно е да наблюдаваме феномени, които не са изследвани до края, което науката може да обясни малко по-късно.