Νόμος Coulomb: τι είναι, τύπος και παραδείγματα

Τι είναι ο νόμος του Coulomb;

Ο νόμος του Coulomb χρησιμοποιείται στον τομέα της φυσικής για τον υπολογισμό της ηλεκτρικής δύναμης που λειτουργεί μεταξύ δύο φορτίων σε κατάσταση ηρεμίας.

Από αυτόν τον νόμο, είναι δυνατόν να προβλεφθεί ποια θα είναι η ηλεκτροστατική δύναμη έλξης ή απώθησης που υπάρχει μεταξύ δύο σωματιδίων ανάλογα με το ηλεκτρικό τους φορτίο και την απόσταση μεταξύ τους.

Ο νόμος του Coulomb οφείλει το όνομά του στον Γάλλο φυσικό Charles-Augustin de Coulomb, ο οποίος το 1875 εξέφρασε αυτόν τον νόμο και ο οποίος αποτελεί τη βάση των ηλεκτροστατικών:

"Το μέγεθος καθεμιάς από τις ηλεκτρικές δυνάμεις με τις οποίες αλληλεπιδρούν δύο σημεία φορτίου σε κατάσταση ηρεμίας είναι ευθέως ανάλογο με το προϊόν του μεγέθους και των δύο φορτίων και αντιστρόφως ανάλογο με το τετράγωνο της απόστασης που τα χωρίζει και έχει την κατεύθυνση της γραμμής που τα συνδέει. Η δύναμη είναι απωθητική εάν οι χρεώσεις είναι του ίδιου σημείου, και έλξης εάν είναι του αντίθετου σημείου ».

Αυτός ο νόμος εκπροσωπείται ως εξής:

• F = ηλεκτρική δύναμη έλξης ή απώθησης σε Newtons (N). Ίσες χρεώσεις απωθούν και αντίθετες χρεώσεις προσελκύουν. k = είναι η σταθερά Coulomb ή η ηλεκτρική σταθερά αναλογικότητας. Η δύναμη ποικίλλει ανάλογα με την ηλεκτρική διαπερατότητα (ε) του μέσου, είτε πρόκειται για νερό, αέρα, λάδι, κενό, μεταξύ άλλων. q = τιμή ηλεκτρικών φορτίων που μετράται σε Coulomb (C). r = απόσταση που χωρίζει τα φορτία και μετράται σε μέτρα (m).

Πρέπει να σημειωθεί ότι η ηλεκτρική διαπερατότητα του κενού είναι σταθερή και μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες. Υπολογίζεται ως εξής: ε ₀ = 8,8541878176x10 ^-12 C ² / (N · m ²). Είναι εξαιρετικά σημαντικό να ληφθεί υπόψη η διαπερατότητα του υλικού.

Η τιμή της σταθεράς Coulomb στο Διεθνές Σύστημα Μέτρησης είναι:

Αυτός ο νόμος λαμβάνει υπόψη μόνο την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο σημείων ταυτόχρονα και καθορίζει μόνο τη δύναμη που υπάρχει μεταξύ q ₁ και q ₂ χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το φορτίο γύρω από αυτό.

Ο Coulomb μπόρεσε να προσδιορίσει τις ιδιότητες της ηλεκτροστατικής δύναμης αναπτύσσοντας μια ισορροπία στρέψης ως όργανο μελέτης, το οποίο αποτελείται από μια ράβδο που κρέμεται από μια ίνα με την ικανότητα να στρίβει και να επιστρέφει στην αρχική της θέση.

Με αυτόν τον τρόπο, ο Coulomb μπορούσε να μετρήσει τη δύναμη που ασκήθηκε σε ένα σημείο της ράβδου τοποθετώντας αρκετές φορτισμένες σφαίρες σε διαφορετικές αποστάσεις προκειμένου να μετρήσει τη δύναμη έλξης ή να απωθεί καθώς περιστρέφεται η ράβδος.

Ηλεκτροστατική δύναμη

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι ιδιοκτησία της ύλης και είναι η αιτία των φαινομένων που σχετίζονται με τον ηλεκτρισμό.

Το Electrostatics είναι ο κλάδος της φυσικής που μελετά τα αποτελέσματα που παράγονται στα σώματα σύμφωνα με τα ηλεκτρικά τους φορτία στην ισορροπία.

Η ηλεκτρική δύναμη (F) είναι ανάλογη με τα φορτία που συγκεντρώνονται και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ τους. Αυτή η δύναμη δρα μεταξύ των φορτίων ακτινικά, δηλαδή, μια γραμμή μεταξύ των φορτίων, επομένως είναι ένας ακτινικός φορέας μεταξύ των δύο φορτίων.

Επομένως, δύο χρεώσεις του ίδιου σημείου δημιουργούν θετική δύναμη, για παράδειγμα: - ∙ - = + ή + ∙ + = +. Από την άλλη πλευρά, δύο φορτία αντίθετων σημείων δημιουργούν αρνητική δύναμη, για παράδειγμα: - ∙ + = - ή + ∙ - = -.

Ωστόσο, δύο χρεώσεις με το ίδιο σύμβολο απωθούν μεταξύ τους (+ + / - -), αλλά δύο χρεώσεις με διαφορετικά σημάδια προσελκύουν η μία την άλλη (+ - / - +).

Παράδειγμα: εάν τρίψετε μια ταινία Teflon με ένα γάντι, το γάντι φορτίζεται θετικά και η ταινία φορτίζεται αρνητικά, οπότε όταν πλησιάζουν πλησιάζουν. Τώρα, εάν τρίβουμε ένα διογκωμένο μπαλόνι με τα μαλλιά μας, το μπαλόνι θα φορτιστεί με αρνητική ενέργεια και όταν το φέρουμε πιο κοντά στην ταινία Teflon, και οι δύο απωθούν ο ένας τον άλλον επειδή έχουν τον ίδιο τύπο φόρτισης.

Επίσης, αυτή η δύναμη εξαρτάται από το ηλεκτρικό φορτίο και την απόσταση μεταξύ τους, είναι μια θεμελιώδης αρχή των ηλεκτροστατικών, καθώς και ένας νόμος που ισχύει για τα φορτία σε ηρεμία σε ένα σύστημα αναφοράς.

Αξίζει να σημειωθεί ότι για μικρές αποστάσεις οι δυνάμεις των ηλεκτρικών φορτίων αυξάνονται και για μεγάλες αποστάσεις οι δυνάμεις των ηλεκτρικών φορτίων μειώνονται, δηλαδή μειώνεται καθώς τα φορτία απομακρύνονται το ένα από το άλλο.

Μέγεθος δύναμης

Το μέγεθος της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης είναι αυτό που επηρεάζει τα σώματα που περιέχουν ηλεκτρικό φορτίο και που μπορεί να οδηγήσει σε φυσικό ή χημικό μετασχηματισμό δεδομένου ότι τα σώματα μπορούν να προσελκύσουν ή να απωθούν.

Επομένως, το μέγεθος που ασκείται σε δύο ηλεκτρικά φορτία είναι ίσο με τη σταθερά του μέσου στο οποίο τα ηλεκτρικά φορτία βρίσκονται από το πηλίκο μεταξύ του προϊόντος καθενός από αυτά και της απόστασης που τα χωρίζει τετράγωνα.

Το μέγεθος της ηλεκτροστατικής δύναμης είναι ανάλογο με το προϊόν του μεγέθους των φορτίων q ₁ xq ₂. Η ηλεκτροστατική δύναμη σε κοντινή απόσταση είναι πολύ ισχυρή.

Παραδείγματα του νόμου του Coulomb

Ακολουθούν διάφορα παραδείγματα ασκήσεων όπου πρέπει να εφαρμοστεί ο νόμος του Coulomb.

Παράδειγμα 1

Έχουμε δύο ηλεκτρικά φορτία, ένα από + 3c και ένα από -2c, χωρισμένα με απόσταση 3m. Για τον υπολογισμό της δύναμης που υπάρχει μεταξύ των δύο φορτίων, είναι απαραίτητο να πολλαπλασιαστεί η σταθερά K με το προϊόν και των δύο φορτίων. Όπως φαίνεται στην εικόνα, έχει ληφθεί αρνητική δύναμη.

Επεξηγηματικό παράδειγμα του τρόπου εφαρμογής του νόμου του Coulomb:

Παράδειγμα 2

Έχουμε μια χρέωση 6 x 10 ^-6 C (q ₁) που απέχει 2m από μια χρέωση -4 x 10 ^-6 C (q ₂). Ποιο είναι λοιπόν το μέγεθος της δύναμης μεταξύ αυτών των δύο φορτίων;

α. Οι συντελεστές πολλαπλασιάζονται: 9 x 6 x 4 = 216.

β. Οι εκθέτες προστίθενται αλγεβρικά: -6 και -6 = -12. Τώρα -12 + 9 = -3.

Απάντηση: F = 54 x 10 ^-3 N.

Παραδείγματα ασκήσεων

1. Έχουμε χρέωση 3 x 10 ^-6 C (q ₁) και άλλη χρέωση -8 x 10 ^-6 C (q ₂) σε απόσταση 2 m. Ποιο είναι το μέγεθος της ελκυστικής δύναμης που υπάρχει μεταξύ των δύο;

Απάντηση: F = 54 X 10 ^-3 N.

2. Προσδιορίζεται η δύναμη που ασκείται μεταξύ δύο ηλεκτρικών φορτίων 1 χ 10 ^-6 C (q ₁) και ένα φορτίο των 2,5 χ 10 ^-6 C (q ₂) τα οποία είναι σε κατάσταση ηρεμίας και σε ένα κενό σε μια απόσταση 5 cm (θυμηθείτε να πάρετε το cm μετά το Διεθνές Σύστημα Μετρήσεων).

Απάντηση: F = 9 N.