Закон Кулона (электрическая сила): что это такое и почему это важно? (с примерами)

Подобные заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются, но насколько велика эта сила притяжения? Так же, как у вас есть уравнение для вычисления силы тяжести между двумя массами, существует также формула для определения электрической силы между двумя зарядами.

Единицей электрического заряда в системе СИ является кулон (Кл), а основными носителями заряда являются протон с зарядом+ е, а электрон с зарядом-e, где элементарный заряде​ = 1.602× 10-19 С. Из-за этого заряд объекта иногда представляется как кратноее​.

Закон Кулона

Закон Кулона, названный в честь французского физика Шарля-Огюстена де Кулона, дает электрическую силу между двумя точечными зарядами.q1а такжеq2расстояние разделенияркроме:

F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2}

Где постояннаяk- постоянная Кулона,k​ = 8.99 × 109 Нм2/ C2.

Единицей измерения электрической силы в системе СИ является Ньютон (Н), как и для всех сил. Направление вектора силы - к другому заряду (притягивающему) для противоположных зарядов и от другого заряда (отталкивающему), если заряды одинаковы.

Закон Кулона, как и сила тяжести между двумя массами, являетсязакон обратных квадратов. Это означает, что оно уменьшается как обратный квадрат расстояния между двумя зарядами. Другими словами, заряды, которые находятся вдвое дальше друг от друга, испытывают четверть силы. Но хотя этот заряд уменьшается с расстоянием, он никогда не достигает нуля и поэтому имеет бесконечный диапазон.

Чтобы найти силу, действующую на данный заряд за счет множества других зарядов, вы используете закон Кулона для определения силы, действующей на заряд из-за каждого из других зарядов индивидуально, а затем вы добавляете векторную сумму сил, чтобы получить окончательный результат.

Почему важен закон Кулона?

Статическое электричество:Закон Кулона - это причина, по которой вы испытываете шок, касаясь дверной ручки после прогулки по ковру.

Когда вы трут ногами о ковер, электроны передаются за счет трения, оставляя вам чистый заряд. Все ваши лишние обвинения отталкивают друг друга. Когда ваша рука тянется к дверной ручке, проводнику, этот избыточный заряд совершает прыжок, вызывая сотрясение!

Электрическая сила намного мощнее гравитации:Хотя между электрической силой и силой гравитации есть много общего, относительная сила электрической силы составляет 1036 раз больше силы тяжести!

Гравитация кажется нам большой только потому, что Земля, к которой мы привязаны, настолько велика, и большинство предметов электрически нейтральны, то есть в них одинаковое количество протонов и электронов.

Внутри атомов:Закон Кулона также имеет отношение к взаимодействиям между атомными ядрами. Два положительно заряженных ядра будут отталкивать друг друга из-за кулоновской силы, если они не окажутся достаточно близко, чтобы сильное ядерное взаимодействие (которое заставляет протоны вместо этого притягиваться, но действует только на очень коротком расстоянии) побеждает вне.

Вот почему для слияния ядер необходима высокая энергия: необходимо преодолеть начальные силы отталкивания. Электростатическая сила также является причиной того, что электроны в первую очередь притягиваются к атомным ядрам, и именно поэтому большинство предметов электрически нейтральны.

Поляризация:Когда заряженный объект приближается к нейтральному объекту, электронные облака вокруг атомов нейтрального объекта перераспределяются. Это явление называетсяполяризация​.

Если заряженный объект был заряжен отрицательно, электронные облака выталкиваются в дальнюю сторону атомов, в результате чего положительные заряды в атомах оказываются немного ближе, чем отрицательные заряды в атомах. атом. (Обратное происходит, если приближается положительно заряженный объект.)

Закон Кулона гласит, что сила притяжения между отрицательно заряженным объектом и положительными зарядами нейтрального объекта будет равна немного сильнее, чем сила отталкивания между отрицательно заряженным объектом и нейтральным объектом из-за относительных расстояний между обвинения.

В результате, даже если один объект технически нейтрален, притяжение все равно будет. Вот почему заряженный воздушный шар прилипает к нейтральной стене!

Примеры для изучения

Пример 1:Заряд +2еи заряд -2еразделены расстоянием 0,5 см. Какова величина кулоновской силы между ними?

Используя закон Кулона и будучи уверенным в преобразовании сантиметров в м, вы получите:

F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times 10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (- 2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19 })} {0,005 ^ 2} = -3,69 \ times 10 ^ {- 23} \ text {N}

Знак минус указывает на то, что это сила притяжения.

Пример 2:В вершинах равностороннего треугольника находятся три заряда. Внизу слева вершина -4езаряжать. Внизу справа вершина +2езаряда, а в верхней вершине - +3езаряжать. Если стороны треугольника равны 0,8 мм, какова результирующая сила на +3езаряжать?

Чтобы решить эту задачу, вам необходимо определить величину и направление сил, возникающих от каждого заряда в отдельности, а затем использовать сложение векторов, чтобы найти окончательный результат.

Сила между -4еи +3езаряжать:

Величина этой силы определяется по формуле:

F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times 10 ^ 9) \ frac {(- 4 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19 })} {0,0008 ^ 2} = -4,33 \ times 10 ^ {- 21} \ text {N}

Поскольку эти заряды имеют противоположные знаки, это сила притяжения, и она направлена ​​вдоль левой стороны треугольника в сторону -4.езаряжать.

Сила между +2еи +3езаряжать:

Величина этой силы определяется по формуле:

F = k \ frac {q_1q_2} {r ^ 2} = (8.99 \ times 10 ^ 9) \ frac {(2 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19}) (3 \ times 1.602 \ times10 ^ {- 19} )} {0,0008 ^ 2} = 2,16 \ times 10 ^ {- 21} \ text {N}

Поскольку у этих зарядов один и тот же знак, это сила отталкивания и направлена ​​прямо от +2езаряжать.

Если принять стандартную систему координат и разбить каждый вектор силы на компоненты, вы получите:

ДобавлениеИкса такжеукомпоненты дает:

Затем вы используете теорему Пифагора, чтобы найти величину силы:

F_ {net} = \ sqrt {(- 3,245 \ times 10 ^ {- 21}) ^ 2 + (-1,88 \ times 10 ^ {- 21}) ^ 2} = 3,75 \ times 10 ^ {- 21} \ text {N}

А тригонометрия подскажет вам направление:

\ theta = \ tan ^ {- 1} \ frac {F_ {nety}} {F_ {netx}} = \ tan ^ {- 1} \ frac {(- 1.88 \ times 10 ^ {- 21})} {( -3,245 \ times 10 ^ {- 21})} = 30

Направление на 30 градусов ниже отрицательногоИксось (или на 30 градусов ниже горизонтали влево).

Teachs.ru
  • Доля
instagram viewer