La legge di Coulomb e la sua applicazione nell'ingegneria elettrica

Proprio come nella meccanica newtoniana, l'interazione gravitazionale avviene sempre tra corpi con masse, analogamente all'elettrodinamica, l'interazione elettrica è caratteristica di corpi con cariche elettriche. La carica elettrica è indicata dal simbolo «q» o «Q».

Possiamo anche dire che il concetto di carica elettrica q in elettrodinamica è in qualche modo simile al concetto di massa gravitazionale m in meccanica. Ma a differenza della massa gravitazionale, la carica elettrica caratterizza la proprietà di corpi e particelle di entrare in interazioni elettromagnetiche e queste interazioni, come capisci, non sono gravitazionali.

Cariche elettriche

L'esperienza umana nello studio dei fenomeni elettrici contiene molti risultati sperimentali e tutti questi fatti hanno permesso ai fisici di raggiungere le seguenti conclusioni inequivocabili sulle cariche elettriche:

1. Le cariche elettriche sono di due tipi: condizionalmente possono essere divise in positive e negative.

2.Le cariche elettriche possono essere trasferite da un oggetto carico a un altro: ad esempio, contattando i corpi tra loro - la carica tra loro può essere separata. In questo caso, la carica elettrica non è affatto una componente obbligatoria del corpo: in condizioni diverse, lo stesso oggetto può avere una carica di grandezza e segno diversi, oppure può non avere carica. Quindi la carica non è qualcosa di inerente al vettore, e allo stesso tempo la carica non può esistere senza il vettore.

3. Mentre i corpi gravitanti si attraggono sempre, le cariche elettriche possono sia attrarsi che respingersi. Cariche simili si attraggono a vicenda, cariche simili si respingono.

I portatori di carica sono elettroni, protoni e altre particelle elementari. Esistono due tipi di cariche elettriche: positive e negative. Le cariche positive sono quelle che appaiono sul vetro strofinato con la pelle. Negativo - Addebiti che si verificano sull'ambra strofinata con la pelliccia. Le autorità incaricate dell'omonima accusa respingono. Gli oggetti con cariche opposte si attraggono.

La legge di conservazione della carica elettrica è una legge fondamentale della natura, si legge così: «la somma algebrica delle cariche di tutti i corpi in un sistema isolato rimane costante». Ciò significa che in un sistema chiuso è impossibile la comparsa o la scomparsa di cariche per un solo segno.

La somma algebrica delle cariche in un sistema isolato è mantenuta costante. I portatori di carica possono spostarsi da un corpo all'altro o muoversi all'interno di un corpo, in una molecola, in un atomo. L'addebito è indipendente dal quadro di riferimento.

Oggi, l'opinione scientifica è che in origine i portatori di carica fossero particelle elementari.Particelle elementari neutroni (elettricamente neutri), protoni (caricati positivamente) ed elettroni (caricati negativamente) costituiscono gli atomi.

I nuclei degli atomi sono costituiti da protoni e neutroni e gli elettroni formano i gusci degli atomi. I moduli delle cariche di un elettrone e di un protone sono uguali in grandezza alla carica elementare e, ma in segno le cariche di queste particelle sono opposte l'una all'altra.

Interazione di cariche elettriche - Legge di Coulomb

Per quanto riguarda l'interazione diretta delle cariche elettriche tra loro, nel 1785 il fisico francese Charles Coulomb stabilì e descrisse sperimentalmente questa legge fondamentale dell'elettrostatica, la legge fondamentale della natura, che non deriva da altre leggi. Nel suo lavoro, lo scienziato studia l'interazione di corpi stazionari carichi di punti e misura le forze della loro reciproca repulsione e attrazione.

Coulomb stabilì sperimentalmente quanto segue: «Le forze di interazione delle cariche stazionarie sono direttamente proporzionali al prodotto dei moduli e inversamente proporzionali al quadrato della loro distanza».

Questa è la formulazione della legge di Coulomb. E sebbene le cariche puntiformi non esistano in natura, solo in termini di cariche puntiformi possiamo parlare della loro distanza, all'interno di questa formulazione della legge di Coulomb.

Infatti, se le distanze tra i corpi superano significativamente le loro dimensioni, allora né le dimensioni né la forma dei corpi carichi influenzeranno particolarmente la loro interazione, il che significa che i corpi per questo problema possono essere giustamente considerati puntiformi.

Diamo un'occhiata a un esempio. Appendiamo delle palle cariche alle corde.Poiché sono caricati in qualche modo, si respingono o si attraggono. Poiché le forze sono dirette lungo una linea retta che collega questi corpi, queste sono forze centrali.

Per indicare le forze che agiscono su ciascuna delle cariche dall'altra, scriveremo: F12 è la forza della seconda carica sulla prima, F21 è la forza della prima carica sulla seconda, r12 è il raggio vettore dalla seconda punto di carica al primo. Se le cariche hanno lo stesso segno, allora la forza F12 sarà diretta congiuntamente al raggio vettore, ma se le cariche hanno segni diversi, allora la forza F12 sarà diretta contro il raggio vettore.

Usando la legge di interazione delle cariche puntiformi (Legge di Coulomb), la forza di interazione può ora essere trovata per qualsiasi carica puntiforme o corpo di carica puntiforme. Se i corpi non sono a forma di punto, vengono mentalmente scomposti in pastelli di elementi, ognuno dei quali può essere preso come una carica puntiforme.

Dopo aver trovato le forze che agiscono tra tutti i piccoli elementi, queste forze si sommano geometricamente: trovano la forza risultante. Le particelle elementari interagiscono anche tra loro secondo la legge di Coulomb e fino ad oggi non sono state osservate violazioni di questa legge fondamentale dell'elettrostatica.

Applicazione della legge di Coulomb all'ingegneria elettrica

Non esiste area nella moderna ingegneria elettrica in cui la legge di Coulomb non operi in una forma o nell'altra. A partire da una corrente elettrica, finendo con un condensatore semplicemente carico. Soprattutto quelle aree che si occupano di elettrostatica: sono correlate al 100% alla legge di Coulomb. Diamo un'occhiata solo ad alcuni esempi.

Il caso più semplice è l'introduzione di un dielettrico.La forza di interazione delle cariche nel vuoto è sempre maggiore della forza di interazione delle stesse cariche in condizioni in cui un qualche tipo di dielettrico è posto tra di loro.

La costante dielettrica di un mezzo è proprio quel valore che permette di determinare quantitativamente i valori delle forze, indipendentemente dalla distanza tra le cariche e dalle loro grandezze. È sufficiente dividere la forza di interazione delle cariche nel vuoto per la costante dielettrica del dielettrico introdotto: otteniamo la forza di interazione in presenza di un dielettrico.

Sofisticata attrezzatura di ricerca: un acceleratore di particelle. Il funzionamento degli acceleratori di particelle cariche si basa sul fenomeno dell'interazione di un campo elettrico e di particelle cariche. Il campo elettrico funziona nell'acceleratore, aumentando l'energia della particella.

Se consideriamo qui la particella accelerata come una carica puntiforme e l'azione del campo elettrico in accelerazione dell'acceleratore come la forza totale di altre cariche puntiformi, allora in questo caso la legge di Coulomb è pienamente osservata: il campo magnetico dirige la particella solo attraverso la forza di Lorentz, ma non cambia la sua energia, ma imposta solo la traiettoria per il movimento delle particelle nell'acceleratore.

Strutture elettriche protettive. Gli impianti elettrici importanti sono sempre dotati di qualcosa di semplice a prima vista come un parafulmine. E anche il parafulmine nel suo lavoro non passa senza osservare la legge di Coulomb. Durante un temporale, sulla Terra compaiono grandi cariche indotte: secondo la legge di Coulomb, sono attratte nella direzione della nuvola temporalesca. Il risultato è un forte campo elettrico sulla superficie terrestre.

L'intensità di questo campo è particolarmente elevata vicino a conduttori appuntiti, e quindi una scarica coronale viene accesa all'estremità appuntita del parafulmine: la carica proveniente dalla Terra tende, obbedendo alla legge di Coulomb, ad essere attratta dalla carica opposta del fulmine. nuvola.

L'aria vicino al parafulmine è altamente ionizzata a causa della scarica corona. Di conseguenza, l'intensità del campo elettrico vicino alla punta diminuisce (così come all'interno di qualsiasi filo), le cariche indotte non possono accumularsi sull'edificio e la probabilità di fulmini è ridotta. Se un fulmine colpisce il parafulmine, la carica andrà semplicemente a terra e non danneggerà l'installazione.