Prawo Coulomba - metody odkrywania i granice

Opłaty i elektryczność są warunkami, które są obowiązkowe w tych przypadkach, w których obserwuje się interakcję naładowanych ciał. Siły odpychania i przyciągania emanują z naładowanych ciał i rozprzestrzeniają się jednocześnie we wszystkich kierunkach, stopniowo zanikając. Siła ta została odkryta we właściwym czasie przez słynnego francuskiego przyrodnika Charlesa Coulomb'a, a zasada, do której przestrzegają nałożone ciała, została nazwana Prawem Coulomba.

Charles Pendant

Francuski naukowiec urodził się we Francji, gdzie otrzymał doskonałą edukację. Aktywnie wykorzystywał swoją wiedzę inżynierską i wniósł istotny wkład w teorię mechanizmów. Zawieszka jest autorką prac, które studiowały dzieło. wiatraki, statystyki różnych struktur, skręcanie nitek pod wpływem sił zewnętrznych. Jedna z tych prac pomogła odkryć prawo Coulomb-Amonton, które wyjaśnia procesy tarcia. Ale główny wkład Charlesa Coulomb'a w badania elektryczności statycznej. Eksperymenty przeprowadzone przez tego francuskiego naukowca doprowadziły go do zrozumienia jednego z najbardziej fundamentalnych praw fizyki. To do niego zawdzięczamy wiedzę o naturze interakcji naładowanych ciał.

Prehistoria

Siły przyciągania i odpychania, którymi ładunki elektryczne działają na siebie, są kierowane wzdłuż linii prostej łączącej naładowane ciała. Wraz ze wzrostem odległości siła ta słabnie. Sto lat później Isaac Newton otworzył jego światowe prawo Francuski naukowiec S. Coulon zbadał eksperymentalnie zasadę interakcji między naładowanymi ciałami i udowodnił, że natura takiej siły jest podobna do sił agresji. Co więcej, jak się okazało, oddziaływujące ciała w polu elektrycznym zachowują się w taki sam sposób, jak wszelkie ciała posiadające masę w polu grawitacyjnym.

Urządzenie Coulomba

Schemat urządzenia, z którym Charles Coulomb wykonał pomiary, pokazano na rysunku:

Jak widać, w istocie ten projekt nie różni się od urządzenia, które kiedyś mierzył Cavendish stała grawitacyjna. Pręt izolacyjny, zawieszony na cienkiej nici, kończy się metalową kulką, do której pewna ładunek elektryczny Kolejna metalowa kula jest zbliżana do kuli, a następnie, gdy się zbliża, siła oddziaływania jest mierzona zgodnie ze stopniem skręcenia nici.

Eksperyment z kulombem

Wisior zasugerował, że siła, z jaką nić jest skręcona, można zastosować znane wówczas prawo Hooke'a. Naukowiec porównał zmianę siły w różnych odległościach jednej kulki od drugiej i odkrył, że siła oddziaływania zmienia jej wartość w odwrotnej proporcji do kwadratu odległości między kulkami. W wisiorce udało się zmienić wartości naładowanej kuli z q na q / 2, q / 4, q / 8 i tak dalej. Przy każdej zmianie ładunku siła interakcji zmieniała proporcjonalnie jego wartość. Stopniowo sformułowano regułę, nazwaną później "prawem kulombowskim".

Definicja

Eksperymentalnie, francuski naukowiec udowodnił, że siły, z którymi oddziaływają dwa naładowane ciała, są proporcjonalne do iloczynu ładunków i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między ładunkami. To stwierdzenie jest prawem Coulomba. W formie matematycznej można ją wyrazić jako:

W tym wyrażeniu:

• q to kwota opłaty;
• d jest odległością między naładowanymi ciałami;
• k jest stałą elektryczną.

Wartość stałej elektrycznej zależy od wyboru jednostki miary. W nowoczesnym układzie wielkość ładunku elektrycznego mierzy się w zawieszkach, a stała elektryczna odpowiednio w Newton × m ² / wisiorek ² .

Ostatnie pomiary wykazały, że współczynnik ten powinien uwzględniać stałą dielektryczną ośrodka, w którym prowadzone jest doświadczenie. Teraz wartość jest pokazana w postaci relacji k = k _¹ / e, gdzie k ₁ jest stałą elektryczną już nam znaną i nie jest wskaźnikiem stałej dielektrycznej. W warunkach próżni wartość ta wynosi jeden.

Wnioski z prawa Coulomba

Naukowiec eksperymentował z różnymi ładunkami, testując interakcję między ciałami o różnych ładunkach. Oczywiście nie mógł zmierzyć ładunku elektrycznego w żadnych jednostkach - nie było wystarczającej wiedzy ani odpowiednich instrumentów. Charles Coulomb był w stanie podzielić pocisk przez dotknięcie naładowanej kuli bez ładunku. Otrzymał więc ułamkowe wartości pierwotnego ładunku. Seria eksperymentów wykazała, że ​​ładunek elektryczny zostaje zachowany, wymiana następuje bez zwiększania lub zmniejszania ilości ładunku. Ta podstawowa zasada stała się podstawą prawa zachowania ładunku elektrycznego. Obecnie udowodniono, że to prawo jest obserwowane zarówno w mikrokosmosie cząstek elementarnych, jak iw makroświeściu gwiazd i galaktyk.

Warunki wymagane do wypełnienia prawa Coulomba

Aby prawo mogło zostać spełnione z większą dokładnością, muszą być spełnione następujące warunki:

• Opłaty muszą być punktowe. Innymi słowy, odległość między obserwowanymi naładowanymi ciałami musi być znacznie większa niż ich wielkość. Jeśli naładowane ciała mają kulisty kształt, możemy założyć, że cały ładunek znajduje się w punkcie będącym środkiem kuli.
• Zmierzone ciało musi być stałe. W przeciwnym razie wiele czynników zewnętrznych wpłynie na przesuwający się ładunek, na przykład na siłę Lorentza, która daje naładowanemu ciału dodatkowe przyspieszenie. Jak również pole magnetyczne poruszającego się naładowanego ciała.
• Obserwowane ciała powinny znajdować się w próżni, aby uniknąć skutków przepływu masy powietrza na wyniki obserwacji.

Prawo kulombowskie i elektrodynamika kwantowa

Z punktu widzenia elektrodynamiki kwantowej oddziaływanie naładowanych ciał następuje poprzez wymianę wirtualnych fotonów. Istnienie takich nieobserwowalnych cząstek i zerowej masy, ale bez ładunku zerowego, jest pośrednio potwierdzone przez zasadę nieoznaczoności. Zgodnie z tą zasadą, wirtualny foton może istnieć pomiędzy momentami emisji takiej cząstki a jej absorpcją. Im mniejsza odległość między ciałami, tym mniej czasu spędzanego przez foton na ścieżce, tym większa energia emitowanych fotonów. Przy niewielkiej odległości między obserwowanymi ładunkami, zasada nieoznaczoności pozwala na wymianę zarówno fal krótkich, jak i fal długich, a przy dużych odległościach fotony krótkich fal nie uczestniczą w wymianie.

Czy istnieją ograniczenia w stosowaniu prawa Coulomba?

Prawo Coulomba w pełni wyjaśnia zachowanie dwóch ładunków punktowych w próżni. Ale jeśli chodzi o ciała rzeczywiste, należy wziąć pod uwagę wymiary objętości naładowanych ciał i cechy środowiska, w którym przeprowadzana jest obserwacja. Na przykład niektórzy badacze zauważyli, że ciało, które przenosi niewielki ładunek i jest zmuszane do działania w polu elektrycznym innego obiektu z dużym ładunkiem, zaczyna być przyciągane do tego ładunku. W takim przypadku twierdzenie, że podobne organy wzajemnie się odpychają, zawodzi, a inne objaśnienia należy szukać w obserwowanym zjawisku. Najprawdopodobniej nie ma tutaj dyskusji o naruszeniu prawa Coulomba czy zasady zachowania ładunku elektrycznego - możliwe jest, że obserwujemy zjawiska, które nie zostały zbadane do końca, co nauka może wyjaśnić nieco później.