Coulomb törvénye: mi ez, képlet és példák

Mi az a Coulomb-törvény?

Coulomb törvényét a fizika területén használják számítsa ki a nyugalmi állapotban lévő két töltés között ható elektromos erőt.

Ebből a törvényből megjósolható, hogy mekkora lesz a részecskék között a vonzás vagy taszítás elektrosztatikus ereje az elektromos töltésük és a köztük lévő távolság szerint.

Coulomb törvénye Charles-Augustin de Coulomb francia fizikusnak köszönheti nevét, aki 1875-ben kihirdette ezt a törvényt, és amely az elektrosztatika alapját képezi:

"Mindegyik elektromos erő nagysága, amellyel két pont töltés kölcsönhatásban áll egymással, egyenesen arányos mindkét töltés nagyságának szorzatával, és fordítottan arányos az őket elválasztó távolság négyzetével, és megegyezik az egyesülő vonal irányával őket. Az erő taszító, ha a töltések azonos előjelűek, és vonzerő, ha ellentétes előjelűek ”.

Ez a törvény a következőképpen jelenik meg:

• F = a vonzás vagy taszítás elektromos ereje Newton-ban (N). Mint a töltések taszítják és az ellentétes díjak vonzzák.
• k = a Coulomb-állandó vagy az arányosság elektromos állandója. Az erő a közeg elektromos permittivitásának (ε) függvényében változik, legyen az többek között víz, levegő, olaj, vákuum.
• mit = az elektromos töltések értéke Coulomb-ban (C) mérve.
• r = a töltéseket elválasztó távolság, amelyet méterben (m) mérnek.

Meg kell jegyezni, hogy a vákuum elektromos permittivitása állandó és az egyik legelterjedtebb. Kiszámítása a következőképpen történik: ε ₀ = 8,8541878176x10^-12 C² / (Nm²). Rendkívül fontos figyelembe venni az anyag permittivitását.

A Coulomb-állandó értéke a nemzetközi mérőrendszerben:

Ez a törvény csak egyidejűleg veszi figyelembe a két töltés közötti kölcsönhatást, és csak a q között fennálló erőt határozza meg₁ és akkor₂ anélkül, hogy figyelembe vennénk a körüli terheléseket.

Coulomb úgy tudta meghatározni az elektrosztatikus erő tulajdonságait, hogy vizsgálati eszközként kifejlesztette a torziós egyensúlyt, amely egy szálra akasztott rúdból állt, amely képes megcsavarodni és visszatérni a kiindulási helyzetbe.

Ily módon Coulomb meg tudta mérni a rúd egy pontján kifejtett erőt úgy, hogy több töltött gömböt különböző távolságra helyezett annak érdekében, hogy mérje a vonzó vagy taszító erőt a rúd forgásakor.

Elektrosztatikus erő

Az elektromos töltés az anyag tulajdonsága, és az áramhoz kapcsolódó jelenségek oka.

Az elektrosztatika a fizika azon ága, amely az egyensúlyban lévő elektromos töltésüknek megfelelően a testekben keletkező hatásokat tanulmányozza.

Az elektromos erő (F) arányos az összejövő töltésekkel és fordítottan arányos a köztük lévő távolsággal. Ez az erő a töltések között sugárirányban hat, vagyis a töltések közötti egyenes, ezért sugárirányú vektor a két töltés között.

Ezért ugyanazon előjelű két töltés pozitív erőt generál, például: - ∙ - = + vagy + ∙ + = +. Másrészt két ellentétes előjelű töltés negatív erőt generál, például: - ∙ + = - vagy + ∙ - = -.

Ugyanakkor két azonos előjelű töltés taszít (+ + / - -), de két különböző előjelű töltés vonzza (+ - / - +).

Példa: ha teflonszalagot kesztyűvel dörzsöl, akkor a kesztyű pozitív töltésű, a szalag pedig negatív töltésű, így amikor közelebb kerülnek, vonzzák egymást. Ha most egy felfújt léggömböt dörzsölünk a hajunkkal, akkor a ballont negatív energiával töltjük fel, és amikor közelebb viszik a teflonszalaghoz, mindketten taszítják egymást, mert azonos típusú töltésük van.

Hasonlóképpen, ez az erő az elektromos töltéstől és a köztük lévő távolságtól is függ, ez az elektrosztatika alapelve, valamint a referencia-keret nyugalmi töltéseire alkalmazandó törvény.

Érdemes megemlíteni, hogy kis távolságoknál az elektromos töltések erői megnőnek, nagy távolságoknál pedig az elektromos töltések erői csökkennek, vagyis csökkennek, amikor a töltések eltávolodnak egymástól.

Az erő nagysága

Az elektromágneses erő nagysága olyan, amely befolyásolja az elektromos töltést tartalmazó testeket, és amely fizikai vagy kémiai átalakuláshoz vezethet, mivel a testek vonzhatják vagy taszíthatják egymást.

Ezért a két elektromos töltésre kifejtett nagyság megegyezik annak a közegnek az állandójával, amelyben az elektromos töltések találhatók, az egyes szorzók szorzatának és az őket elválasztó távolságnak a négyzetre eső hányadosával.

Az elektrosztatikus erő nagysága arányos a q töltések nagyságának szorzatával₁ mivel₂. Az elektrosztatikus erő közeli távolságon nagyon erős.

Példák Coulomb törvényére

Az alábbiakban olyan gyakorlatokra mutatunk be különböző példákat, ahol Coulomb törvényét kell alkalmazni.

1. példa

Két elektromos töltésünk van, az egyik + 3c, a másik pedig -2c, amelyeket 3m távolság választ el. A két töltés között fennálló erő kiszámításához meg kell szorozni a K állandót mindkét töltés szorzatával. Mint a képen látható, negatív erőt kaptunk.

Illusztrált példa Coulomb törvényének alkalmazására:

2. példa

6 x 10 terhelést kaptunk^-6C (q₁), amely 2 m-re van -4 x 10 terheléstől^-6C (q₂). Tehát mekkora az erő nagysága e két töltés között?

nak nek. Az együtthatókat megszorozzuk: 9 x 6 x 4 = 216.

b. A kitevőket algebrailag adjuk hozzá: -6 és -6 = -12. Most -12 + 9 = -3.

Válasz: F = 54 x 10^-3 N.

Példák gyakorlatokra

1. 3 x 10 terhelésünk van^-6C (q₁) és egy másik -8 x 10 terhelés^-6C (q₂) 2 m távolságban. Mekkora vonzerő van a kettő között?

Válasz: F = 54 X 10^-3 N.

2. Határozza meg a két 1 x 10 elektromos töltés közötti hatást^-6C (q₁) és további 2,5 x 10 terhelés^-6C (q₂), amelyek nyugalmi állapotban vannak és vákuumban 5 cm távolságra vannak (ne felejtsük el, hogy a cm-t m-re állítsuk a nemzetközi mérőrendszer szerint).

Válasz: F = 9 N.