Ang batas ng Coulomb at ang aplikasyon nito sa electrical engineering

Tulad ng sa Newtonian mechanics, ang gravitational interaction ay palaging nangyayari sa pagitan ng mga katawan na may masa, katulad ng electrodynamics, electrical interaction ay katangian ng mga katawan na may electric charges. Ang singil ng kuryente ay tinutukoy ng simbolo na «q» o «Q».

Maaari pa nga nating sabihin na ang konsepto ng electric charge q sa electrodynamics ay medyo katulad ng konsepto ng gravitational mass m sa mechanics. Ngunit hindi tulad ng gravitational mass, ang electric charge ay nagpapakilala sa ari-arian ng mga katawan at mga particle na pumasok sa mga electromagnetic na pakikipag-ugnayan, at ang mga pakikipag-ugnayan na ito, tulad ng naiintindihan mo, ay hindi gravitational.

Mga singil sa kuryente

Ang karanasan ng tao sa pag-aaral ng mga electrical phenomena ay naglalaman ng maraming mga eksperimentong resulta, at lahat ng mga katotohanang ito ay nagpapahintulot sa mga physicist na maabot ang mga sumusunod na malinaw na konklusyon tungkol sa mga singil sa kuryente:

1. Ang mga singil sa kuryente ay may dalawang uri — kung may kondisyon, maaari silang hatiin sa positibo at negatibo.

2.Ang mga singil sa kuryente ay maaaring ilipat mula sa isang sisingilin na bagay patungo sa isa pa: halimbawa, sa pamamagitan ng pakikipag-ugnay sa mga katawan sa isa't isa - ang singil sa pagitan ng mga ito ay maaaring paghiwalayin. Sa kasong ito, ang singil ng kuryente ay hindi isang ipinag-uutos na bahagi ng katawan: sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon, ang parehong bagay ay maaaring may singil na magkaibang magnitude at tanda, o maaaring wala itong singil. Kaya ang singil ay hindi isang bagay na likas sa carrier, at sa parehong oras ang singil ay hindi maaaring umiral nang wala ang carrier.

3. Habang ang mga gravitating body ay laging umaakit sa isa't isa, ang mga singil ng kuryente ay maaaring parehong makaakit sa isa't isa at nagtataboy sa isa't isa. Tulad ng mga singil na kapwa umaakit, tulad ng mga singil na nagtataboy.

Ang mga carrier ng singil ay mga electron, proton at iba pang elementarya na particle. Mayroong dalawang uri ng mga singil sa kuryente—positibo at negatibo. Ang mga positibong singil ay ang mga lumalabas sa salamin na pinahiran ng katad. Negatibo - Mga singil na nagaganap sa fur-rubbed amber. Ang mga awtoridad na kinasuhan sa mga singil ng parehong pangalan push back. Ang mga bagay na may magkasalungat na singil ay umaakit sa isa't isa.

Ang batas ng pag-iingat ng singil sa kuryente ay isang pangunahing batas ng kalikasan, ito ay nagbabasa ng ganito: "ang algebraic na kabuuan ng mga singil ng lahat ng mga katawan sa isang nakahiwalay na sistema ay nananatiling pare-pareho". Nangangahulugan ito na sa isang saradong sistema, ang paglitaw o pagkawala ng mga singil para sa isang tanda lamang ay imposible.

Ang algebraic na kabuuan ng mga singil sa isang nakahiwalay na sistema ay pinananatiling pare-pareho. Ang mga carrier ng singil ay maaaring lumipat mula sa isang katawan patungo sa isa pa o lumipat sa loob ng isang katawan, sa isang molekula, atom. Ang singil ay hindi nakasalalay sa frame of reference.

Ngayon, ang pang-agham na pananaw ay ang orihinal na mga tagadala ng singil ay mga elementarya na particle.Ang mga elementong elementarya ay mga neutron (neutral na elektrikal), mga proton (positibong sisingilin) ​​at mga electron (negatibong sisingilin) ​​ang bumubuo sa mga atomo.

Ang nuclei ng mga atom ay binubuo ng mga proton at neutron, at ang mga electron ay bumubuo sa mga shell ng mga atomo. Ang moduli ng mga singil ng isang electron at isang proton ay katumbas ng magnitude sa elementarya na singil e, ngunit sa sign ang mga singil ng mga particle na ito ay kabaligtaran sa isa't isa.

Pakikipag-ugnayan ng Electric Charges — Coulomb's Law

Tulad ng para sa direktang pakikipag-ugnayan ng mga singil sa kuryente sa isa't isa, pagkatapos ay noong 1785 ang Pranses na pisiko na si Charles Coulomb ay eksperimento na itinatag at inilarawan ang pangunahing batas na ito ng electrostatics, ang pangunahing batas ng kalikasan, na hindi sumusunod sa anumang iba pang mga batas. Sa kanyang trabaho, pinag-aaralan ng siyentipiko ang pakikipag-ugnayan ng mga nakatigil na mga katawan na sinisingil ng punto at sinusukat ang mga puwersa ng kanilang kapwa pagtanggi at pagkahumaling.

Eksperimento na itinatag ng Coulomb ang mga sumusunod: "Ang mga puwersa ng interaksyon ng mga nakatigil na singil ay direktang proporsyonal sa produkto ng mga module at inversely proporsyonal sa parisukat ng distansya sa pagitan nila."

Ito ang pagbabalangkas ng batas ni Coulomb. At kahit na ang mga singil sa punto ay hindi umiiral sa kalikasan, sa mga tuntunin lamang ng mga singil sa punto maaari nating pag-usapan ang distansya sa pagitan ng mga ito, sa loob ng pormulasyon na ito ng batas ng Coulomb.

Sa katunayan, kung ang mga distansya sa pagitan ng mga katawan ay makabuluhang lumampas sa kanilang mga sukat, kung gayon ang laki o ang hugis ng mga sinisingil na katawan ay hindi partikular na makakaapekto sa kanilang pakikipag-ugnayan, na nangangahulugan na ang mga katawan para sa problemang ito ay maaaring maituring na parang punto.

Tingnan natin ang isang halimbawa. Magsabit tayo ng ilang naka-charge na bola sa mga string.Dahil sinisingil sila sa ilang paraan, itataboy o aakitin nila. Dahil ang mga puwersa ay nakadirekta sa isang tuwid na linya na nagkokonekta sa mga katawan na ito, ito ay mga sentral na pwersa.

Upang tukuyin ang mga puwersa na kumikilos sa bawat isa sa mga singil mula sa isa, isusulat namin: F12 ay ang puwersa ng pangalawang singil sa una, F21 ay ang puwersa ng unang singil sa pangalawa, ang r12 ay ang radius vector mula sa pangalawa. point charge sa una. Kung ang mga singil ay may parehong tanda, ang puwersa F12 ay magkakasamang ididirekta sa radius vector, ngunit kung ang mga singil ay may magkakaibang mga palatandaan, ang puwersa F12 ay ididirekta laban sa radius vector.

Gamit ang batas ng pakikipag-ugnayan ng mga singil sa punto (Coulomb's Law), ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ay mahahanap na ngayon para sa anumang mga singil sa punto o mga katawan ng singil sa punto. Kung ang mga katawan ay hindi hugis-point, ang mga ito ay nasira sa pag-iisip sa mga pastel ng mga elemento, na ang bawat isa ay maaaring kunin bilang isang singil sa punto.

Matapos mahanap ang mga puwersang kumikilos sa pagitan ng lahat ng maliliit na elemento, ang mga puwersang ito ay nagdaragdag ng geometriko—nahanap nila ang resultang puwersa. Ang mga elemento ng elementarya ay nakikipag-ugnayan din sa isa't isa ayon sa batas ng Coulomb, at hanggang ngayon ay walang naobserbahang mga paglabag sa pangunahing batas na ito ng electrostatics.

Paglalapat ng batas ng Coulomb sa electrical engineering

Walang lugar sa modernong electrical engineering kung saan ang batas ng Coulomb ay hindi gumagana sa isang anyo o iba pa. Nagsisimula sa isang electric current, nagtatapos sa isang simpleng sisingilin na kapasitor. Lalo na ang mga lugar na nakikitungo sa mga electrostatics — 100% silang nauugnay sa batas ng Coulomb. Tingnan natin ang ilang halimbawa.

Ang pinakasimpleng kaso ay ang pagpapakilala ng isang dielectric.Ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng mga singil sa isang vacuum ay palaging mas malaki kaysa sa puwersa ng pakikipag-ugnayan ng parehong mga singil sa ilalim ng mga kondisyon kapag ang ilang uri ng dielectric ay inilagay sa pagitan nila.

Ang dielectric na pare-pareho ng isang daluyan ay tiyak na halaga na nagbibigay-daan sa iyo upang matukoy ang dami ng mga halaga ng mga puwersa, anuman ang distansya sa pagitan ng mga singil at ang kanilang mga magnitude. Ito ay sapat na upang hatiin ang puwersa ng pakikipag-ugnayan ng mga singil sa isang vacuum sa pamamagitan ng dielectric na pare-pareho ng ipinakilalang dielectric - nakukuha natin ang puwersa ng pakikipag-ugnayan sa pagkakaroon ng isang dielectric.

Sopistikadong kagamitan sa pananaliksik — isang particle accelerator. Ang pagpapatakbo ng mga sisingilin na particle accelerator ay batay sa hindi pangkaraniwang bagay ng pakikipag-ugnayan ng isang electric field at mga sisingilin na particle. Ang electric field ay gumagana sa accelerator, pinatataas ang enerhiya ng particle.

Kung isasaalang-alang natin dito ang pinabilis na particle bilang isang point charge, at ang pagkilos ng accelerating electric field ng accelerator bilang kabuuang puwersa mula sa iba pang mga point charge, kung gayon sa kasong ito ang batas ng Coulomb ay ganap na sinusunod. Ang magnetic field ay nagdidirekta sa particle lamang sa pamamagitan ng ang puwersa ng Lorentz, ngunit hindi binabago ang enerhiya nito, ngunit nagtatakda lamang ng tilapon para sa paggalaw ng mga particle sa accelerator.

Mga proteksiyong istrukturang elektrikal. Ang mahahalagang instalasyong elektrikal ay laging nilagyan ng isang bagay na kasing simple sa unang tingin gaya ng pamalo ng kidlat. At ang pamalo ng kidlat sa gawain nito ay hindi rin pumasa nang hindi sinusunod ang batas ni Coulomb. Sa panahon ng bagyo, lumalabas ang malalaking singil sa Earth — ayon sa batas ng Coulomb, naaakit ang mga ito sa direksyon ng thunderstorm cloud. Ang resulta ay isang malakas na electric field sa ibabaw ng lupa.

Ang intensity ng field na ito ay partikular na mataas malapit sa matutulis na konduktor, at samakatuwid ang isang coronal discharge ay nag-aapoy sa matulis na dulo ng lightning rod - ang singil mula sa Earth ay may posibilidad, na sumusunod sa batas ng Coulomb, na maakit ng kabaligtaran na singil ng thunderbolt. ulap.

Ang hangin na malapit sa pamalo ng kidlat ay lubos na na-ionize bilang resulta ng paglabas ng corona. Bilang isang resulta, ang lakas ng electric field na malapit sa dulo ay bumababa (pati na rin sa loob ng anumang wire), ang mga sapilitan na singil ay hindi maaaring maipon sa gusali, at ang posibilidad ng kidlat ay nabawasan. Kung ang kidlat ay tumama sa pamalo ng kidlat, kung gayon ang singil ay mapupunta lamang sa Earth at hindi makakasira sa pag-install.