Coulombovy zákony - objevové metody a hranice

Poplatky a elektřina jsou termíny, které jsou povinné pro ty případy, kdy je pozorována interakce nabitých těles. Sily odpudivosti a přitažlivosti vycházejí z nabitých těl a šíří se současně ve všech směrech a postupně se vytraví. Tato síla byla včas nalezena slavným francouzským přírodovědeckem Charlesem Coulombem a pravidlo, na které obviněné subjekty poslouchají, je od té doby nazýváno Coulombovým zákonem.

Charles Pendant

Francouzský vědec se narodil ve Francii, kde získal vynikající vzdělání. Aktivně aplikoval své znalosti v oblasti strojírenství a významně přispěl k teorii mechanismů. Přívěsek je autorem článků, které studovali práci. větrné mlýny, statistiky různých struktur, torze vláken pod vlivem vnějších sil. Jedna z těchto prací pomohla objevit zákon Coulomb-Ammonton, který vysvětluje procesy tření. Ale hlavní příspěvek Charlesa Coulomba k studiu statické elektřiny. Pokusy tohoto francouzského vědce vedly k pochopení jednoho z nejzákladnějších zákonů fyziky. Jemu dlužíme znalost povahy interakce nabitých těl.

Prehistorie

Síly přitažlivosti a odpudivosti, se kterými působí elektrické náboje, jsou směrovány podél přímky, která spojuje nabitá tělesa. S rostoucí vzdáleností tato síla oslabuje. O sto let později Isaac Newton otevřel jeho celosvětové právo Francouzský vědec S. Coulon experimentálně zkoumal princip vzájemné interakce mezi nabitými těly a dokázal, že povaha takové síly je podobná síle agrese. Navíc, jak se ukázalo, interagující tělesa v elektrickém poli se chovají stejným způsobem jako všechna těla, která mají hmotu v gravitačním poli.

Zařízení Coulomb

Diagram zařízení, s nímž Charles Coulomb provedl měření, je uveden na obrázku:

Jak můžete vidět, v podstatě se tento design neliší od zařízení, které Cavendish najednou změřil gravitační konstanta. Izolační tyč, zavěšená na tenké nitě, končí kovovou koulí, na kterou je jisté elektrický náboj Další kovová koule se přiblíží k míči a poté, jak se blíží, se síla interakce měří podle stupně kroucení nitě.

Experiment Coulomb

Coulomb navrhl, že Hookeův zákon, který byl tehdy již znám, mohl být aplikován na sílu, se kterou je nit zkroucená. Vědec porovnal změnu v síle na různých vzdálenostech jedné koule od druhé a zjistil, že síla interakce změní její hodnotu v obráceném poměru k čtverci vzdálenosti mezi kuličkami. Přívěsek se podařilo změnit hodnoty nabité koule z q na q / 2, q / 4, q / 8 a tak dále. Při každé změně náboje se síla interakce změnila proporcionálně na její hodnotu. Postupně bylo formulováno pravidlo, které bylo později nazýváno "Coulombovým zákonem".

Definice

Experimentálně francouzský vědec prokázal, že síly, s nimiž se dvě nabité těla vzájemně ovlivňují, jsou úměrné výsledku jejich nábojů a nepřímo úměrné čtverci vzdálenosti mezi náboji. Toto tvrzení je Coulombův zákon. V matematické podobě může být vyjádřena jako:

V tomto výrazu:

• q je množství náboje;
• d je vzdálenost mezi nabitými tělesy;
• k je elektrická konstanta.

Hodnota elektrické konstanty závisí na volbě měrné jednotky. V moderním systému se měří velikost elektrického náboje v přívěsech a elektrická konstanta v Newtonu × m ² / Pendant ² .

Nedávné měření ukázaly, že tento koeficient by měl vzít v úvahu dielektrickou konstantu média, ve kterém je experiment prováděn. Hodnota je nyní zobrazena ve formě vztahu k = k _¹ / e, kde ₁ je elektrická konstanta, která je již známa a není indikátorem dielektrické konstanty. V podmínkách vakua se tato hodnota rovná jedné.

Závěry z Coulombova zákona

Vědec experimentoval s různými poplatky, testoval interakci mezi těly s různými poplatky. Samozřejmě, nemohl měřit elektrický náboj v žádné jednotce - nebylo dostatek znalostí ani vhodných nástrojů. Charles Coulomb byl schopen rozdělit projektilu tím, že se dotkne nabité míče bez náboje. Takže obdržel zlomkové hodnoty původního náboje. Série experimentů ukázala, že elektrický náboj je zachován, dochází k výměně bez zvýšení nebo snížení množství náboje. Tento základní princip byl základem zákona o ochraně elektrického náboje. V současnosti je dokázáno, že tento zákon je pozorován jak v mikrokosmu elementárních částic, tak v makrověru hvězd a galaxií.

Podmínky vyžadované pro splnění Coulombova zákona

Aby byl zákon splněn s větší přesností, musí být splněny následující podmínky:

• Poplatky musí být bod. Jinými slovy, vzdálenost mezi pozorovanými nabitými tělesy musí být mnohem větší než jejich velikost. Pokud mají nábojové těleso sférický tvar, můžeme předpokládat, že celý náboj je v bodě, který je středem koule.
• Naměřené těleso musí být fixováno. V opačném případě ovlivní pohyblivé náboje řadu vnějších faktorů, například síla Lorentz, která dodává nabitému tělu další zrychlení. Stejně jako magnetické pole pohybujícího se nabitého těla.
• Pozorované tělesa by měly být ve vakuu, aby se zabránilo vlivům proudění vzduchu na výsledky pozorování.

Coulombův zákon a kvantová elektrodynamika

Z hlediska kvantové elektrodynamiky dochází k interakci nabitých těles prostřednictvím výměny virtuálních fotonů. Existence takových neviditelných částic a nulové hmotnosti, ale nikoli nulového náboje, je nepřímo potvrzena principem nejistoty. Podle tohoto principu může existovat virtuální foton mezi okamžiky emise takové částice a její absorpcí. Čím menší je vzdálenost mezi tělesy, tím méně času stráveného fotonem na cestě, tím větší je energie emitovaných fotonů. S malou vzdáleností mezi pozorovanými náboji umožňuje princip nejistoty výměnu jak krátkovlnných, tak dlouhých částic, a na velkých vzdálenostech se krátkodobé fotony neúčastní výměny.

Existují limity pro uplatňování zákona Coulombovy

Coulombův zákon plně vysvětluje chování dvou bodových nábojů ve vakuu. Ale pokud jde o skutečné tělo, je třeba vzít v úvahu objemové rozměry nabitých těles a charakteristiky prostředí, ve kterém se pozorování provádí. Někteří vědci například poznamenali, že tělo, které nese malý náboj a je nuceno do elektrického pole jiného předmětu s velkým nábojem, začíná být přitahováno k tomuto náboji. V tomto případě se tvrzení, že se podobné orgány odpuzují, selhává a je třeba hledat další vysvětlení pozorovaného jevu. S největší pravděpodobností zde není žádná diskuse o porušení Coulombova zákona nebo principu zachování elektrického náboje - je možné, že pozorujeme jevy, které nebyly studovány až do konce, což věda může vysvětlit později.