KULONO DĖSNIS: PAAIŠKINIMAS, FORMULĖ IR VIENETAI, PRATYBOS, EKSPERIMENTAI - FIZINIS - 2025

Kulono teisė yra fizinis reglamentuojančiuose įstatymuose tarp elektros krūvį objektų sąveiką. Dėl jo eksperimentų, naudojant sukimo balansą, rezultatų pavyko sužavėti prancūzų mokslininką Charlesą Augustiną de Coulombą (1736–1806).

1785 m. Kulonas daugybę kartų eksperimentavo su mažomis elektra įkrautomis sferomis, pavyzdžiui, judindamas dvi sferas arčiau ar toliau viena nuo kitos, keisdamas jų krūvio dydį ir ženklą. Visada atidžiai stebėkite ir įrašykite kiekvieną atsakymą.

1 pav. Schema, rodanti taškinių elektros krūvių sąveiką, naudojant Kulono įstatymą.

Šios mažos sferos gali būti laikomos taškiniais krūviais, ty objektais, kurių matmenys yra nereikšmingi. Ir jie įvykdo, kaip buvo žinoma nuo senovės graikų laikų, kad patraukia tas pats ženklas, bet ir tas pats ženklas.

2 paveikslas. Karo inžinierius Charlesas Coulombas (1736–1806) laikomas svarbiausiu fiziku Prancūzijoje. Šaltinis: „Wikipedia Commons“.

Atsižvelgdamas į tai, Charlesas Coulombas nustatė:

-Pritraukimo ar atstūmimo jėga tarp dviejų taškinių krūvių yra tiesiogiai proporcinga krūvių dydžio sandaugai.

- Minėta jėga visada nukreipta išilgai linijos, jungiančios kaltinimus.

- Galiausiai jėgos dydis yra atvirkščiai proporcingas krūvio atskyrimo atstumo kvadratui.

Kulono įstatymo formulė ir vienetai

Šių stebėjimų dėka Kulonas padarė išvadą, kad jėgos F dydis tarp dviejų taškų krūvių q ₁ ir q ₂ , atskirtų atstumu r, matematiškai pateikiamas taip:

Kadangi jėga yra vektoriaus didumas, norint ją visiškai išreikšti, vienetas vektorius r yra apibrėžtas linijas, jungiančias krūvius, kryptimi (vieneto vektoriaus dydis yra lygus 1).

Be to, proporcingumo konstanta, reikalinga ankstesnei išraiškai paversti lygybe, vadinama k _e arba tiesiog k: elektrostatinė konstanta arba Kulono konstanta.

Galiausiai yra nustatytas Kulono įstatymas dėl taškinių mokesčių, kuriuos nustato:

Kariuomenės pajėgos, kaip visada tarptautinėje vienetų sistemoje, ateina niutonais (N). Kalbant apie rinkliavas, vienetas pavadintas kulonu (C) Charleso Coulombo garbei, o galiausiai atstumas r yra metrais (m).

Atidžiai pažiūrėjus į aukščiau pateiktą lygtį, akivaizdu, kad , norint gauti niutonus, elektrostatinės konstantos vienetai turi būti Nm ² / C ² . Konstantos vertė eksperimentiškai buvo nustatyta taip:

k _e = 8,89 x 10 ⁹ Nm ² / C ² ≈ 9 x 10 ⁹ Nm ² / C ²

1 paveiksle pavaizduota dviejų elektros krūvių sąveika: kai jie yra to paties ženklo, jie atstumia, kitaip traukia.

Atkreipkite dėmesį, kad Kulono įstatymas atitinka Niutono trečiąjį įstatymą arba veikimo ir reakcijos dėsnį, todėl F ₁ ir F ₂ didumai yra vienodi, kryptis yra ta pati, tačiau kryptys yra priešingos.

Kaip taikyti Kulono įstatymą

Norint išspręsti elektros krūvių sąveikos problemas, reikia atsižvelgti į šiuos dalykus:

- Ši lygtis taikoma tik taškiniams krūviams, tai yra, elektriškai įkrautiems objektams, bet labai mažų matmenų. Jei pakraunami objektai turi išmatuojamus matmenis, būtina juos padalyti į labai mažas apkrovas ir tada sudėti kiekvienos iš šių apkrovų įnašus, kuriems atlikti reikalingas vientisas skaičiavimas.

- Elektrinė jėga yra vektoriaus dydis. Jei yra daugiau nei du sąveikaujantys krūviai, krūvio q _i grynoji jėga sukuriama superpozicijos principu:

_Grynasis F = F _i1 + F _i2 + F _i3 + F _i4 +… = ∑ F _ij

Kai indeksas j yra 1, 2, 3, 4 … ir parodo visus likusius mokesčius.

- Jūs visada turite būti suderinti su vienetais. Dažniausiai reikia dirbti su elektrostatiniu konstantu SI vienetais, tada būtina įsitikinti, ar krūviai yra kulonuose, o atstumas metrais.

- Galiausiai, lygtis taikoma, kai krūviai yra statinėje pusiausvyroje.

Išspręsta mankšta

- 1 pratimas

Toliau pateiktame paveikslėlyje yra du taškiniai krūviai + q ir + 2q. Trečiasis taškinis krūvis –q yra padėtas prie P. Prašoma surasti šio krūvio elektrinę jėgą dėl kitų buvimo.

3 pav. Išskirtinio pratimo schema 1. Šaltinis: Giambattista, A. Fizika.

Sprendimas

Pirmas dalykas yra sukurti tinkamą atskaitos sistemą, kuri šiuo atveju yra horizontalioji ašis arba x ašis. Tokios sistemos kilmė gali būti bet kur, tačiau patogumui ji bus dedama ties P, kaip parodyta 4a paveiksle:

4 pav. Išspręstos užduoties schema 1. Šaltinis: Giambattista, A. Fizika.

Taip pat parodyta jėgų, veikiančių –q, schema, atsižvelgiant į tai, kad jas traukia kitos dvi (4b pav.).

Pavadinkime F ₁ jėga, kuria krūvis q veikia krūvį –q, jie nukreipti išilgai x ašies ir nukreipti neigiama kryptimi, todėl:

Analogiškai F ₂ apskaičiuojamas :

Atminkite, kad F ₂ dydis yra perpus mažesnis nei F ₁ , nors krūvis yra dvigubas. Norint rasti grynąją jėgą, pagaliau vektoriai pridedami F ₁ ir F ₂ :

- 2 pratimas

Du polistireno rutuliai, kurių masė m = 9,0 x ^10–8 kg, turi tą patį teigiamą krūvį Q ir yra pakabinami šilko siūlu, kurio ilgis L = 0,98 m. Sferos yra atskirtos atstumu d = 2 cm. Apskaičiuokite Q reikšmę.

Sprendimas

Pareiškimo padėtis aprašyta 5a paveiksle.

5 pav. Pratimo atlikimo schemos. 2 šaltinis: Giambattista, A. Fizika / F. Zapata.

Mes pasirenkame vieną iš sferų ir ant jos nubraižome izoliuotą kūno schemą, į kurią įeina trys jėgos: svoris W , stygos T įtempimas ir elektrostatinė atstūmė F, kaip parodyta 5b paveiksle. O dabar žingsniai:

1 žingsnis

Θ / 2 reikšmė apskaičiuojama naudojant trikampį 5c paveiksle:

θ / 2 = arcsen (1 x 10 ^{-2 /} 0,98) = 0,585º

2 žingsnis

Toliau turime pritaikyti antrąjį Niutono dėsnį ir nustatyti jį lygų 0, nes krūviai yra statiškoje pusiausvyroje. Svarbu pažymėti, kad įtampa T yra pasvirusi ir turi du komponentus:

∑F _x = -T. Sin θ + F = 0

∑F _y = T.cos θ - W = 0

3 žingsnis

Įtampos dydį išsprendžiame iš paskutinės lygties:

T = W / cos θ = mg / cos θ

4 žingsnis

Ši reikšmė pakeičiama į pirmą lygtį, norint rasti F dydį:

F = T sin θ = mg (sin θ / cos θ) = mg. tg θ

5 žingsnis

Kadangi F = k Q ² / d ² , sprendžiame Q:

Q = 2 × 10 ^-11 C.

Eksperimentai

Patikrinti Kulono įstatymą lengva, naudojant sukimo balansą, panašų į tą, kurį Kulonas naudojo jo laboratorijoje.

Yra dvi mažos šeivamedžio sferos, iš kurių viena, skalės centre, yra pakabinta sriegiu. Eksperimentą sudaro išleistų šeivamedžio sferų palietimas kita metaline rutuliu, įkrautu Q krūviu.

6 pav. Kulono sukimo balansas.

Iškart krūvis pasiskirsto po lygiai tarp dviejų šeivamedžio sferų, bet, kadangi tai yra to paties ženklo užtaisai, jie atstumia vienas kitą. Pakabinamai sferai veikia jėga, kuri sukelia sriegio, nuo kurio jis kabo, sukimąsi ir tuoj pat tolsta nuo fiksuotos sferos.

Tada matome, kad jis kelis kartus virpa, kol pasiekia pusiausvyrą. Tuomet strypo ar sriegio, kuris jį sulaiko, sukimasis yra subalansuotas elektrostatinės atbaidymo jėgos dėka.

Jei iš pradžių rutuliai buvo 0º kampu, dabar judanti rutulys bus pasukta kampu θ. Aplink skalę yra juosta, graduota laipsniais, kad būtų galima išmatuoti šį kampą. Anksčiau nustatant sukimo konstantą, tada lengvai apskaičiuojama šeivamedžio sferų atstumiamoji jėga ir krūvio vertė.

Nuorodos

1. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika mokslams ir inžinerijai. 5 tomas. Elektrostatika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Fizika. Antrasis leidimas. McGraw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6-asis. Edas Prentice'o salė.
4. Resnick, R. 1999. Fizika. 2 tomas, ispanų kalba. „Compañía Continental SA de CV“
5. Searsas, Zemansky. 2016. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14-oji. Ed. 2 tomas.