Elektrik konsepti. Elektrifikasyon. İletkenler, yarı iletkenler ve dielektrikler. Elementer yük ve özellikleri. Coulomb yasası. Elektrik alan kuvveti. Üstüste binme ilkesi. Etkileşimin tezahürleri olarak elektrik alanı. Temel bir dipolün elektrik alanı.

Elektrik terimi Yunanca elektron (amber) kelimesinden gelir.

Elektrifikasyon, elektrik enerjisinin vücuda iletilmesi işlemidir.

şarj. Bu terim 16. yüzyılda İngiliz bilim adamı ve hekim Gilbert tarafından tanıtıldı.

ELEKTRİK YÜKÜ, CİSİMLERİN VEYA PARÇACIKLARIN GİRECEK ÖZELLİKLERİNİ VE ELEKTROMANYETİK ETKİLEŞİMLERİ VE BU ETKİLEŞİMLERİN GÜCÜNÜ VE ENERJİSİNİ BELİRTEN FİZİKSEL SKALER BİR MİKTARDIR.

Elektrik yüklerinin özellikleri:

1. Doğada iki tür elektrik yükü vardır. Pozitif (deriye sürtünen cam üzerinde meydana gelir) ve negatif (kürk üzerine sürtünen ebonit üzerinde meydana gelir).

2. Benzer yükler iter, farklı yükler çeker.

3. YÜK TAŞIYICI PARÇACIKLAR (elektron, proton, pozitron vb.) OLMADAN elektrik yükü MEVCUT DEĞİLDİR.Örneğin, bir elektrondan ve diğer temel yüklü parçacıklardan elektrik yükü uzaklaştırılamaz.

4. Elektrik yükü ayrıktır, yani. herhangi bir cismin yükü tam sayının katıdır temel elektrik yükü e(e = 1.6 10-19C). Elektron (örn.= 9,11 10 -31 kg) ve proton (t p = 1,67 10 -27 kg) sırasıyla temel negatif ve pozitif yüklerin taşıyıcılarıdır (Kesirli elektrik yüküne sahip parçacıklar bilinmektedir: – 1/3 e ve 2/3 e- Bu kuarklar ve antikuarklar , ancak özgür bir durumda bulunamadılar).

5. Elektrik yükü - büyüklüğü göreceli olarak değişmez , onlar. referans çerçevesine bağlı değildir; bu, bu yükün hareket halinde mi yoksa hareketsiz mi olduğuna bağlı olmadığı anlamına gelir.

6. Deneysel verilerin genelleştirilmesinden yola çıkılarak şu tespit yapılmıştır: doğanın temel kanunu - Yükün korunumu yasası: cebirsel toplam

Herhangi bir kapalı sistemin elektrik yüklerinin MA'sı(dış organlarla yük alışverişinde bulunmayan bir sistem) Bu sistem içinde hangi süreçler meydana gelirse gelsin değişmeden kalır.

Yasa 1843'te bir İngiliz fizikçi tarafından deneysel olarak doğrulandı.

M. Faraday ( 1791-1867) ve diğerleri, parçacıkların ve antiparçacıkların doğuşu ve yok olmasıyla doğrulandı.

Elektrik yükü birimi (akım birimi aracılığıyla belirlendiği için türetilmiş birim) - kolye (C): 1 C - elektrik yükü,

1 saniye süreyle 1 A akım gücünde bir iletkenin kesitinden geçen.

Doğadaki tüm cisimler elektriklenme yeteneğine sahiptir; bir elektrik yükü elde eder. Gövdelerin elektrifikasyonu çeşitli yollarla gerçekleştirilebilir: temas (sürtünme), elektrostatik indüksiyon

vb. Herhangi bir şarj işlemi, bedenlerden birinde (veya vücudun bir kısmında) aşırı pozitif yükün göründüğü ve diğerinde (veya vücudun başka bir kısmında) fazla miktarda negatif yükün göründüğü yüklerin ayrılmasına iner. vücut). Bedenlerde bulunan her iki işaretin toplam yük sayısı değişmez: bu yükler yalnızca bedenler arasında yeniden dağıtılır.

Cisimlerin elektrifikasyonu mümkündür çünkü cisimler yüklü parçacıklardan oluşur. Vücutların elektrifikasyonu sürecinde serbest durumdaki elektronlar ve iyonlar hareket edebilir. Protonlar çekirdekte kalır.

Serbest yüklerin konsantrasyonuna bağlı olarak cisimler aşağıdakilere ayrılır: iletkenler, dielektrikler ve yarı iletkenler.

İletkenler- elektrik yükünün tüm hacmi boyunca karışabileceği gövdeler. İletkenler iki gruba ayrılır:

1) birinci türden iletkenler (metaller) - transfer

yüklerine (serbest elektronlara) kimyasal maddeler eşlik etmez

dönüşümler;

2) ikinci tür iletkenler (örneğin erimiş tuzlar, ra-

asit çözeltileri) - yüklerin (pozitif ve negatif) bunlara aktarılması

iyonlar) kimyasal değişikliklere yol açar.

Dielektrikler(örneğin cam, plastik) - pratikte hiçbir ücretsiz masrafın bulunmadığı gövdeler.

Yarı iletkenler (örneğin germanyum, silikon) işgal eder

iletkenler ve dielektrikler arasındaki ara konum. Bu cisimlerin bölünmesi çok şartlıdır, ancak içlerindeki serbest yüklerin konsantrasyonlarındaki büyük fark, davranışlarında büyük niteliksel farklılıklara neden olur ve bu nedenle cisimlerin iletkenlere, dielektriklere ve yarı iletkenlere bölünmesini haklı çıkarır.

ELEKTROSTATİK- sabit yüklerin bilimi

Coulomb yasası.

Etkileşim kanunu sabit nokta elektrik ücretleri

1785 yılında Sh. Coulomb tarafından burulma dengeleri kullanılarak deneysel olarak kuruldu.

G. Cavendish'in yerçekimi sabitini belirlemek için kullandıklarına benzer (bu yasa daha önce G. Cavendish tarafından keşfedilmişti, ancak çalışması 100 yıldan fazla bir süredir bilinmiyordu).

Puan ücreti, boyutları onlara olan mesafeye göre ihmal edilebilecek yüklü bir cisim veya parçacık olarak adlandırılır.

Coulomb yasası: iki sabit nokta yük arasındaki etkileşimin kuvveti boşlukta masraflarla orantılı q 1 Ve q2, ve aralarındaki r mesafesinin karesiyle ters orantılıdır :

k - sistem seçimine bağlı orantı faktörü

SI'da

Büyüklük ε 0 isminde elektriksel sabit; kastediyor

sayı temel fiziksel sabitler ve şuna eşittir:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 Cl2 /N∙m2

Vektör formunda, boşluktaki Coulomb yasası şu şekildedir:

ikinci yükü birinciye bağlayan yarıçap vektörü nerede, F 12 ikinci yükten birinciye etki eden kuvvettir.

Coulomb yasasının büyük mesafelerde doğruluğu

10 7 m, uydular kullanılarak manyetik alanın incelenmesi sırasında kuruldu

Dünya'ya yakın uzayda. Kısa mesafelerde uygulamasının doğruluğu 10 -17 m, temel parçacıkların etkileşimi üzerine yapılan deneylerle doğrulandı.

Coulomb'un çevre yasası

Tüm ortamlarda Coulomb etkileşiminin kuvveti, boşluk veya havadaki etkileşim kuvvetinden daha azdır. Bir vakumdaki elektrostatik etkileşim kuvvetinin belirli bir ortamdakinden kaç kat daha büyük olduğunu gösteren fiziksel bir niceliğe ortamın dielektrik sabiti denir ve harfle gösterilir. ε.

ε = Vakumda F / Ortamda F

SI'da genel haliyle Coulomb yasası:

Coulomb kuvvetlerinin özellikleri.

1. Coulomb kuvvetleri merkezi tipte kuvvetlerdir, çünkü yükleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilir

Coulomb kuvveti, yüklerin işaretleri farklıysa çekici bir kuvvet, yüklerin işaretleri aynı ise itici bir kuvvettir.

3. Coulomb kuvvetleri için Newton'un 3. yasası geçerlidir

4. Coulomb kuvvetleri bağımsızlık veya süperpozisyon ilkesine uyar çünkü İki nokta yükü arasındaki etkileşim kuvveti, yakınlarda başka yükler göründüğünde değişmeyecektir. Belirli bir yüke etki eden elektrostatik etkileşimin ortaya çıkan kuvveti, belirli bir yükün sistemin her bir yükü ile ayrı ayrı etkileşim kuvvetlerinin vektör toplamına eşittir.

F= F 12 +F 13 +F 14 + ∙∙∙ +F 1 N

Yükler arasındaki etkileşimler bir elektrik alanı aracılığıyla gerçekleştirilir. Elektrik alanı, elektrik yüklerinin etkileşiminin meydana geldiği, maddenin özel bir varoluş şeklidir. Elektrik alanı, bu alana verilen diğer herhangi bir yüke kuvvetle etki etmesiyle kendini gösterir. Elektrostatik alan, sabit elektrik yükleri tarafından yaratılır ve uzayda sonlu c hızıyla yayılır.

Elektrik alanının kuvvet karakteristiğine gerilim denir.

Gerginlikler belirli bir noktadaki elektrik, alanın belirli bir noktaya yerleştirilen pozitif bir test yüküne etki ettiği kuvvetin bu yükün modülüne oranına eşit fiziksel bir niceliktir.

Bir nokta yükünün alan kuvveti q:

Üstüste binme ilkesi: uzayda belirli bir noktada bir yük sistemi tarafından oluşturulan elektrik alan kuvveti, bu noktada her bir yük tarafından ayrı ayrı (diğer yüklerin yokluğunda) oluşturulan elektrik alan kuvvetlerinin vektör toplamına eşittir.

Ücretler ve elektrik, yüklü cisimlerin etkileşiminin gözlemlendiği durumlar için gerekli terimlerdir. İtme ve çekme kuvvetleri yüklü cisimlerden yayılıyor ve aynı anda her yöne yayılıyor, mesafe arttıkça yavaş yavaş kayboluyor gibi görünüyor. Bu kuvvet bir zamanlar ünlü Fransız doğa bilimci Charles Coulomb tarafından keşfedildi ve yüklü cisimlerin uyduğu kurala o zamandan beri Coulomb Yasası adı verildi.

Charles Kolye

Fransız bilim adamı, mükemmel bir eğitim aldığı Fransa'da doğdu. Edindiği bilgileri mühendislik bilimlerinde aktif olarak uyguladı ve mekanizma teorisine önemli katkılarda bulundu. Coulomb, yel değirmenlerinin çalışmasını, çeşitli yapıların istatistiklerini ve dış kuvvetlerin etkisi altında ipliklerin burulmasını inceleyen çalışmaların yazarıdır. Bu çalışmalardan biri sürtünme süreçlerini açıklayan Coulomb-Amonton yasasının keşfedilmesine yardımcı oldu.

Ancak Charles Coulomb statik elektrik çalışmalarına asıl katkısını yaptı. Bu Fransız bilim adamının yaptığı deneyler onun fiziğin en temel yasalarından birini anlamasını sağladı. Yüklü cisimlerin etkileşiminin doğası hakkındaki bilgimizi ona borçluyuz.

Arka plan

Elektrik yüklerinin birbirlerine etki ettiği çekme ve itme kuvvetleri, yüklü cisimleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilir. Mesafe arttıkça bu kuvvet zayıflar. Isaac Newton'un evrensel çekim yasasını keşfetmesinden bir yüzyıl sonra, Fransız bilim adamı Charles Coulomb, yüklü cisimler arasındaki etkileşim ilkesini deneysel olarak inceledi ve böyle bir kuvvetin doğasının yerçekimi kuvvetlerine benzer olduğunu kanıtladı. Dahası, ortaya çıktığı gibi, bir elektrik alanında etkileşen cisimler, yerçekimi alanında kütlesi olan herhangi bir cisimle aynı şekilde davranır.

Coulomb cihazı

Charles Coulomb'un ölçümlerini yaptığı cihazın şeması şekilde gösterilmiştir:

Görüldüğü gibi bu tasarım, Cavendish'in kendi döneminde kütle çekim sabitinin değerini ölçmek için kullandığı cihazdan aslında pek farklı değil. İnce bir iplik üzerine asılan yalıtkan çubuğun ucu, belirli bir elektrik yükü verilen metal bir topla biter. Başka bir metal top topa yaklaştırılır ve yaklaştıkça etkileşim kuvveti ipliğin bükülme derecesine göre ölçülür.

Coulomb deneyi

Coulomb, o zamanlar zaten bilinen Hooke Yasasının ipliğin bükülme kuvvetine uygulanabileceğini öne sürdü. Bilim adamı, bir topun farklı mesafelerindeki kuvvet değişimini diğerinden karşılaştırdı ve etkileşim kuvvetinin, değerini toplar arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olarak değiştirdiğini buldu. Kolye, yüklenen topun değerlerini q'dan q/2, q/4, q/8 vb.'ye değiştirmeyi başardı. Yükteki her değişiklikle etkileşim kuvvetinin değeri orantılı olarak değişti. Böylece yavaş yavaş daha sonra "Coulomb Yasası" olarak adlandırılan bir kural formüle edildi.

Tanım

Fransız bilim adamı deneysel olarak, iki yüklü cismin etkileşime girdiği kuvvetlerin, yüklerinin çarpımı ile orantılı ve yükler arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olduğunu kanıtladı. Bu ifade Coulomb yasasıdır. Matematiksel formda şu şekilde ifade edilebilir:

Bu ifadede:

• q - ücret miktarı;
• d yüklü cisimler arasındaki mesafedir;
• k elektriksel sabittir.

Elektrik sabitinin değeri büyük ölçüde ölçüm birimi seçimine bağlıdır. Modern sistemde, elektrik yükünün büyüklüğü coulomb cinsinden ve elektrik sabiti buna göre newton×m 2 / coulomb 2 cinsinden ölçülür.

Son ölçümler, bu katsayının deneyin gerçekleştirildiği ortamın dielektrik sabitini hesaba katması gerektiğini göstermiştir. Şimdi değer k=k 1 /e oranı biçiminde gösterilmektedir; burada k 1 zaten bildiğimiz elektrik sabitidir ve dielektrik sabitinin bir göstergesi değildir. Vakum koşullarında bu değer birliğe eşittir.

Coulomb yasasından sonuçlar

Bilim adamı, farklı miktarlarda yüklerle deneyler yaparak, farklı miktarda yüke sahip cisimler arasındaki etkileşimi test etti. Elbette elektrik yükünü herhangi bir birimde ölçemiyordu - hem bilgiden hem de uygun araçlardan yoksundu. Charles Coulomb yüklü bir topa yüksüz bir topa dokunarak mermiyi ayırmayı başardı. Başlangıç ​​yükünün kesirli değerlerini bu şekilde elde etti. Bir dizi deney, elektrik yükünün korunduğunu ve yük miktarını artırmadan veya azaltmadan bir değişimin gerçekleştiğini göstermiştir. Bu temel prensip, elektrik yükünün korunumu yasasının temelini oluşturur. Artık bu yasanın hem temel parçacıkların mikro dünyasında hem de yıldızların ve galaksilerin makro dünyasında gözlemlendiği kanıtlanmıştır.

Coulomb yasasının gerçekleşmesi için gerekli koşullar

Kanunun daha doğru bir şekilde uygulanabilmesi için aşağıdaki şartların yerine getirilmesi gerekmektedir:

• Ücretler puan ücreti olmalıdır. Başka bir deyişle, gözlenen yüklü cisimler arasındaki mesafe, boyutlarından çok daha büyük olmalıdır. Yüklü cisimler küresel bir şekle sahipse, tüm yükün kürenin merkezi olan bir noktada bulunduğunu varsayabiliriz.
• Ölçülen cisimler hareketsiz olmalıdır. Aksi takdirde, hareketli yük, yüklü gövdeye ek ivme kazandıran Lorentz kuvveti gibi çok sayıda dış faktörden etkilenecektir. Ve ayrıca hareketli yüklü bir cismin manyetik alanı.
• Hava kütlesi akışlarının gözlem sonuçları üzerindeki etkisini önlemek için gözlemlenen cisimler vakumda olmalıdır.

Coulomb yasası ve kuantum elektrodinamiği

Kuantum elektrodinamiği açısından yüklü cisimlerin etkileşimi, sanal fotonların değişimi yoluyla gerçekleşir. Bu tür gözlemlenemeyen parçacıkların ve sıfır kütlenin, ancak sıfır yükün varlığı, belirsizlik ilkesiyle dolaylı olarak doğrulanır. Bu prensibe göre, böyle bir parçacığın emisyon anları ile soğurulması anları arasında sanal bir foton var olabilir. Cisimler arasındaki mesafe ne kadar küçük olursa, fotonun yolu kat etmesi o kadar az zaman alır, dolayısıyla yayılan fotonların enerjisi de o kadar büyük olur. Gözlemlenen yükler arasında küçük bir mesafede, belirsizlik ilkesi hem kısa dalga hem de uzun dalga parçacıklarının alışverişine izin verir ve büyük mesafelerde kısa dalga fotonları alışverişe katılmaz.

Coulomb yasasının uygulanmasında sınırlamalar var mı?

Coulomb yasası iki noktasal yükün boşluktaki davranışını tamamen açıklar. Ancak gerçek cisimler söz konusu olduğunda yüklü cisimlerin hacimsel boyutları ve gözlemin gerçekleştirildiği ortamın özellikleri dikkate alınmalıdır. Örneğin bazı araştırmacılar, küçük bir yük taşıyan ve büyük yüklü başka bir nesnenin elektrik alanına zorlanan bir cismin, bu yük tarafından çekilmeye başladığını gözlemlemiştir. Bu durumda benzer yüklü cisimlerin birbirini ittiği ifadesi boşa çıkar ve gözlenen olaya başka bir açıklama aranmalıdır. Büyük olasılıkla, Coulomb yasasının veya elektrik yükünün korunumu ilkesinin ihlalinden bahsetmiyoruz - bilimin biraz sonra açıklayabileceği, tam olarak araştırılmamış olayları gözlemlememiz mümkündür.

§ 2. Suçlamaların etkileşimi. Coulomb yasası

Elektrik yükleri birbirleriyle etkileşir, yani benzer yükler birbirini iter, farklı yükler ise çeker. Elektrik yükleri arasındaki etkileşim kuvvetleri belirlenir Coulomb yasası ve yüklerin yoğunlaştığı noktaları birleştiren düz bir çizgiye yönlendirilirler.
Coulomb yasasına göre, iki nokta elektrik yükü arasındaki etkileşimin kuvveti, bu yüklerdeki elektrik miktarlarının çarpımı ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır ve yüklerin bulunduğu ortama bağlıdır:

Nerede F- yüklerin etkileşim kuvveti, N(Newton);
Bir Newton ≈ 102 içerir G kuvvet.
Q 1 , Q 2 - Her şarjın elektrik miktarı, İle(kolye);
Bir kolye 6,3 10 18 elektron yükü içerir.
R- yükler arasındaki mesafe, M;
ε a - ortamın (malzeme) mutlak dielektrik sabiti; bu miktar, etkileşim halindeki yüklerin bulunduğu ortamın elektriksel özelliklerini karakterize eder. Uluslararası Birim Sisteminde (SI) ε a ( f/m). Ortamın mutlak dielektrik sabiti

burada ε 0, vakumun (boşluk) mutlak dielektrik sabitine eşit bir elektrik sabitidir. 8,86 10 -12'ye eşittir f/m.
Belirli bir ortamda elektrik yüklerinin birbirleriyle vakumdan daha zayıf olarak kaç kez etkileşime girdiğini gösteren ε değerine (Tablo 1) denir. dielektrik sabiti. ε değeri, belirli bir malzemenin mutlak dielektrik sabitinin vakumun dielektrik sabitine oranıdır:

Vakum için ε = 1. Havanın dielektrik sabiti neredeyse bire yakındır.

tablo 1

Bazı malzemelerin dielektrik sabiti

Coulomb yasasına dayanarak, büyük elektrik yüklerinin küçük olanlardan daha güçlü etkileşime girdiği sonucuna varabiliriz. Yükler arasındaki mesafe arttıkça etkileşimlerinin gücü çok daha zayıf olur. Böylece yükler arasındaki mesafenin 6 kat artmasıyla etkileşimlerinin kuvveti 36 kat azalır. Yükler arasındaki mesafe 9 kat azaldığında etkileşimlerinin kuvveti 81 kat artar. Yüklerin etkileşimi aynı zamanda yükler arasındaki malzemeye de bağlıdır.
Örnek. Elektrik yükleri arasında Q 1 = 2 10 -6 İle Ve Q 2 = 4,43 10 -6 İle 0,5 mesafede bulunur M mika yerleştirilir (ε = 6). Belirtilen yükler arasındaki etkileşim kuvvetini hesaplayın.
Çözüm . Formülde yerine koyma bilinen miktarların değerleri, şunu elde ederiz:

Eğer boşlukta elektrik yükleri bir kuvvetle etkileşime giriyorsa F c, daha sonra bu yüklerin arasına örneğin porselen yerleştirilerek etkileşimleri 6,5 kat, yani ε kat zayıflatılabilir. Bu, yükler arasındaki etkileşim kuvvetinin oran olarak tanımlanabileceği anlamına gelir.

Uzun gözlemler sonucunda bilim adamları, zıt yüklü cisimlerin birbirini çektiğini, benzer yüklü cisimlerin ise tam tersi ittiğini bulmuşlardır. Bu, cisimler arasında etkileşim kuvvetlerinin ortaya çıktığı anlamına gelir. Fransız fizikçi C. Coulomb, metal toplar arasındaki etkileşim modellerini deneysel olarak inceledi ve iki nokta elektrik yükü arasındaki etkileşim kuvvetinin, bu yüklerin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı olacağını buldu:

Burada k, formülde yer alan fiziksel büyüklüklerin ölçüm birimlerinin seçimine ve ayrıca q 1 ve q 2 elektrik yüklerinin bulunduğu ortama bağlı olarak bir orantı katsayısıdır. r aralarındaki mesafedir.

Buradan Coulomb yasasının yalnızca nokta yükler için, yani boyutları aralarındaki mesafelere göre tamamen ihmal edilebilecek cisimler için geçerli olacağı sonucuna varabiliriz.

Vektör formunda Coulomb yasası şöyle görünecektir:

Burada q1 ve q2 yüklerdir ve r bunları bağlayan yarıçap vektörüdür; r = |r|.

Yüklere etki eden kuvvetlere merkezi denir. Bu yükleri birbirine bağlayan düz bir çizgide yönlendirilirler ve q2 yükünden q1 yüküne etki eden kuvvet, q1 yükünden q2 yüküne etki eden kuvvete eşittir ve işaret olarak zıttır.

Elektriksel büyüklükleri ölçmek için iki sayı sistemi kullanılabilir; SI (temel) sistem ve bazen CGS sistemi kullanılabilir.

SI sisteminde, ana elektriksel büyüklüklerden biri akım birimidir - amper (A), o zaman elektrik yükü birimi onun türevi olacaktır (akım birimi cinsinden ifade edilir). SI yük birimi coulomb'dur. 1 coulomb (C), 1 A akımda 1 s'de bir iletkenin kesitinden geçen “elektrik” miktarıdır, yani 1 C = 1 A s.

SI'daki formül 1a)'daki k katsayısı şuna eşit alınır:

Ve Coulomb yasası sözde "rasyonelleştirilmiş" biçimde yazılabilir:

Manyetik ve elektriksel olayları tanımlayan birçok denklem 4π faktörünü içerir. Bununla birlikte, bu faktör Coulomb yasasının paydasına dahil edilirse, pratik hesaplamalarda sıklıkla kullanılan çoğu manyetizma ve elektrik formülünden kaybolacaktır. Bu şekilde bir denklem yazmanın rasyonelleştirilmiş hali denir.

Bu formüldeki ε 0 değeri elektrik sabitidir.

GHS sisteminin temel birimleri GHS mekanik birimleridir (gram, saniye, santimetre). Yukarıdaki üçüne ek olarak yeni temel birimler GHS sistemine dahil edilmemiştir. Formül (1)'deki k katsayısının birliğe eşit ve boyutsuz olduğu varsayılmaktadır. Buna göre Coulomb yasası rasyonelleştirilmemiş bir biçimde şöyle görünecektir:

CGS sisteminde kuvvet din cinsinden ölçülür: 1 din = 1 g cm/s 2 ve mesafe santimetre cinsinden ölçülür. q = q 1 = q 2 olduğunu varsayalım, o zaman formül (4)'ten şunu elde ederiz:

Eğer r = 1 cm ve F = 1 din ise, bu formülden, CGS sisteminde bir yük biriminin, (boşlukta) kendisinden uzakta eşit bir yüke etki eden bir nokta yük olarak alındığı sonucu çıkar. 1 cm mesafede, 1 din kuvvetle. Böyle bir yük birimine, elektrik miktarının (yük) mutlak elektrostatik birimi denir ve CGS q ile gösterilir. Boyutları:

ε 0 değerini hesaplamak için Coulomb yasası için SI ve GHS sistemlerinde yazılan ifadeleri karşılaştırıyoruz. Birbirinden 1 m uzaklıkta bulunan, her biri 1 C'lik iki nokta yük, bir kuvvetle etkileşime girecektir (formül 3'e göre):

GHS'de bu kuvvet şuna eşit olacaktır:

İki yüklü parçacık arasındaki etkileşimin gücü, bulundukları ortama bağlıdır. Çeşitli ortamların elektriksel özelliklerini karakterize etmek için bağıl dielektrik nüfuz etme ε kavramı tanıtıldı.

ε değeri farklı maddeler için farklı bir değerdir - ferroelektrikler için değeri 200 - 100.000 aralığındadır, kristalli maddeler için 4 ila 3000 arasındadır, cam için 3 ila 20 arasındadır, polar sıvılar için 3 ila 81 arasındadır, polar olmayanlar için 3 ila 81 arasındadır. -1, 8'den 2,3'e kadar polar sıvılar; 1,0002'den 1,006'ya kadar olan gazlar için.

Dielektrik sabiti (bağıl) aynı zamanda ortam sıcaklığına da bağlıdır.

Yüklerin yerleştirildiği ortamın dielektrik sabitini dikkate alırsak, SI'da Coulomb yasası şu şekli alır:

Dielektrik sabiti ε boyutsuz bir miktardır ve ölçüm birimi seçimine bağlı değildir ve vakum için ε = 1'e eşit kabul edilir. Daha sonra vakum için Coulomb yasası şu şekli alır:

İfadeyi (6) (5)'e bölerek şunu elde ederiz:

Buna göre, bağıl dielektrik sabiti ε, birbirine göre r mesafesinde bulunan bazı ortamdaki nokta yükler arasındaki etkileşim kuvvetinin, aynı mesafedeki vakumdakinden kaç kat daha az olduğunu gösterir.

Elektrik ve manyetizmanın bölünmesi nedeniyle GHS sistemine bazen Gauss sistemi adı verilir. SGS sisteminin ortaya çıkmasından önce, SGSE (SGS elektrik) sistemleri elektriksel büyüklükleri ölçmek için, SGSM (SGS manyetik) sistemleri ise manyetik büyüklükleri ölçmek için çalışıyordu. İlk eşit birim elektrik sabiti ε 0, ikincisi ise manyetik sabit μ 0 olarak alındı.

SGS sisteminde elektrostatik formülleri SGSE'nin karşılık gelen formülleriyle, manyetizma formülleri ise yalnızca manyetik büyüklükler içermeleri koşuluyla SGSM'deki karşılık gelen formüllerle örtüşür.

Ancak denklem aynı anda hem manyetik hem de elektriksel büyüklükleri içeriyorsa, Gauss sisteminde yazılan bu denklem aynı denklemden farklı olacaktır, ancak SGSM veya SGSE sisteminde 1/s veya 1/s2 faktörü ile yazılmıştır. Işık hızına eşit olan c miktarına (c = 3·10 · 10 cm/s) elektrodinamik sabit denir.

GHS sistemindeki Coulomb yasası şu şekilde olacaktır:

Örnek

Tamamen aynı iki yağ damlasında bir elektron eksik. Newton'un çekim kuvveti Coulomb itme kuvvetiyle dengelenir. Aralarındaki mesafeler doğrusal boyutlarını önemli ölçüde aşarsa damlacıkların yarıçaplarını belirlemek gerekir.

Çözüm

Damlalar arasındaki mesafe r, doğrusal boyutlarından önemli ölçüde daha büyük olduğundan, damlalar nokta yükler olarak alınabilir ve bu durumda Coulomb itme kuvveti şuna eşit olacaktır:

Burada e, yağ damlasının pozitif yüküdür ve elektronun yüküne eşittir.

Newton çekim kuvveti şu formülle ifade edilebilir:

Burada m damlanın kütlesidir ve γ yerçekimi sabitidir. Problemin koşullarına göre F k = F n olduğundan:

Bir damlanın kütlesi, ρ yoğunluğunun ve V hacminin çarpımı ile ifade edilir, yani m = ρV ve R yarıçaplı bir damlanın hacmi, elde ettiğimiz V = (4/3)πR 3'e eşittir. :

Bu formülde π, ε 0, γ sabitleri bilinmektedir; ε = 1; elektron yükü e = 1,6·10 -19 C ve yağ yoğunluğu ρ = 780 kg/m3 (referans verileri) de bilinmektedir. Sayısal değerleri formülde yerine koyarsak şu sonucu elde ederiz: R = 0,363·10 -7 m.

Kanun

Coulomb yasası

Bir boşluktaki iki nokta yük arasındaki etkileşim kuvvetinin modülü, bu yüklerin modüllerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.

Aksi halde: İki noktalı ücretler vakum Bu yüklerin modüllerinin çarpımı ile orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı ve bu yükleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilmiş kuvvetlerle birbirlerine etki ederler. Bu kuvvetlere elektrostatik (Coulomb) denir.

onların hareketsizliği. Aksi takdirde ek etkiler geçerli olur: manyetik alan hareketli yük ve karşılık gelen ek Lorentz kuvveti, başka bir hareketli yüke etki eden;

etkileşim vakum.

yük 1'in yük 2'ye etki ettiği kuvvet nerede; - ücretlerin büyüklüğü; - yarıçap vektörü (yük 1'den yük 2'ye yönlendirilen ve mutlak değer olarak yükler arasındaki mesafeye eşit olan vektör -); - orantılılık katsayısı. Dolayısıyla yasa, benzer yüklerin birbirini ittiğini (ve farklı yüklerin çektiğini) belirtir.

İÇİNDE SSSE birim yük katsayısı öyle bir şekilde seçilir ki k bire eşittir.

İÇİNDE Uluslararası Birim Sistemi (SI) temel birimlerden biri birimdir elektrik akımı gücü amper ve ücret birimi kolye- onun bir türevi. Amper değeri şu şekilde tanımlanır: k= c2·10−7 Gn/m = 8,9875517873681764 109 N m2/ Cl 2 (veya F−1 m). SI katsayısı kşu şekilde yazılır:

burada ≈ 8,854187817·10−12 F/m - elektriksel sabit.

Coulomb yasası:

Coulomb yasası noktasal elektrik yükleri arasındaki etkileşim kuvvetlerini tanımlayan bir yasadır.

1785 yılında Charles Coulomb tarafından keşfedilmiştir. Charles Coulomb, metal toplarla çok sayıda deney yaptıktan sonra yasanın aşağıdaki formülasyonunu vermiştir:

Bir boşluktaki iki nokta yük arasındaki etkileşim kuvvetinin modülü, bu yüklerin modüllerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.

Aksi takdirde: Bir boşluktaki iki nokta yük, bu yüklerin modüllerinin çarpımı ile orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılı ve bu yükleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilmiş kuvvetlerle birbirlerine etki eder. Bu kuvvetlere elektrostatik (Coulomb) denir.

Yasanın doğru olabilmesi için aşağıdakilerin gerekli olduğuna dikkat etmek önemlidir:

1. nokta benzeri yükler - yani yüklü cisimler arasındaki mesafe boyutlarından çok daha büyüktür - ancak hacimsel olarak dağıtılmış iki yükün küresel simetrik kesişmeyen uzaysal dağılımlarla etkileşim kuvvetinin kuvvetine eşit olduğu kanıtlanabilir. küresel simetri merkezlerinde bulunan iki eşdeğer nokta yükün etkileşimi;
2. onların hareketsizliği. Aksi takdirde, ek etkiler devreye girer: Hareket eden bir yükün manyetik alanı ve buna karşılık gelen, başka bir hareketli yüke etki eden ek Lorentz kuvveti;
3. boşlukta etkileşim.

Ancak kanun bazı düzenlemelerle yüklerin ortamdaki etkileşimleri ve hareketli yükler için de geçerlidir.

C. Coulomb'un formülasyonunda vektör formunda yasa şu şekilde yazılmıştır:

yük 1'in yük 2'ye etki ettiği kuvvet nerede; - ücretlerin büyüklüğü; - yarıçap vektörü (yük 1'den yük 2'ye yönlendirilen ve mutlak değer olarak yükler arasındaki mesafeye eşit olan vektör -); - orantılılık katsayısı. Dolayısıyla yasa, benzer yüklerin birbirini ittiğini (ve farklı yüklerin çektiğini) belirtir.

Katsayı k

SGSE'de yük ölçüm birimi, katsayı olacak şekilde seçilir. k bire eşittir.

Uluslararası Birimler Sisteminde (SI) temel birimlerden biri elektrik akımı birimi amperdir ve yük birimi coulomb da bunun bir türevidir. Amper değeri şu şekilde tanımlanır: k= c2·10-7 H/m = 8,9875517873681764·109 N·m2/Cl2 (veya Ф−1·m). SI katsayısı kşu şekilde yazılır:

burada ≈ 8,854187817·10−12 F/m elektrik sabitidir.

Homojen bir izotropik maddede, ortamın nispi dielektrik sabiti ε formülün paydasına eklenir.

Kuantum mekaniğinde Coulomb yasası

Kuantum mekaniğinde Coulomb yasası, klasik mekanikte olduğu gibi kuvvet kavramı kullanılarak değil, Coulomb etkileşiminin potansiyel enerjisi kavramı kullanılarak formüle edilir. Kuantum mekaniğinde ele alınan sistemin elektrik yüklü parçacıklar içermesi durumunda, sistemin Hamilton operatörüne klasik mekanikte hesaplandığı gibi Coulomb etkileşiminin potansiyel enerjisini ifade eden terimler eklenir.

Böylece nükleer yüklü bir atomun Hamilton operatörü Zşu forma sahiptir:

Burada M- elektron kütlesi, e yükü, yarıçap vektörünün mutlak değeridir J elektron, . Birinci terim elektronların kinetik enerjisini, ikinci terim elektronların çekirdekle Coulomb etkileşiminin potansiyel enerjisini, üçüncü terim ise elektronların karşılıklı itilmesinin potansiyel Coulomb enerjisini ifade eder. Birinci ve ikinci terimlerin toplamı tüm N elektron üzerinde gerçekleştirilir. Üçüncü terimde, toplama tüm elektron çiftleri üzerinde gerçekleşir ve her bir çift bir kez meydana gelir.

Kuantum elektrodinamiği açısından Coulomb yasası

Kuantum elektrodinamiğine göre yüklü parçacıkların elektromanyetik etkileşimi, parçacıklar arasındaki sanal foton alışverişi yoluyla gerçekleşir. Zaman ve enerjiye ilişkin belirsizlik ilkesi, emisyon ve soğurma anları arasındaki süre boyunca sanal fotonların varlığına izin verir. Yüklü parçacıklar arasındaki mesafe ne kadar küçük olursa, sanal fotonların bu mesafeyi aşması o kadar az zaman alır ve dolayısıyla belirsizlik ilkesinin izin verdiği sanal fotonların enerjisi o kadar büyük olur. Belirsizlik ilkesi, yükler arasındaki küçük mesafelerde hem uzun hem de kısa dalga fotonlarının alışverişine izin verir ve büyük mesafelerde yalnızca uzun dalga fotonları alışverişe katılır. Böylece kuantum elektrodinamiği kullanılarak Coulomb yasası türetilebilir.

Hikaye

İlk kez G.V. Richman, 1752-1753'te elektrik yüklü cisimlerin etkileşim yasasını deneysel olarak incelemeyi önerdi. Bu amaçla tasarladığı “işaretçi” elektrometreyi kullanmayı amaçladı. Bu planın uygulanması Richman'ın trajik ölümüyle engellendi.

1759'da, Richmann'ın ölümünden sonra koltuğunu devralan St. Petersburg Bilimler Akademisi'nde fizik profesörü olan F. Epinus, ilk olarak yüklerin mesafenin karesiyle ters orantılı olarak etkileşime girmesi gerektiğini öne sürdü. 1760 yılında, Basel'deki D. Bernoulli'nin kendi tasarladığı bir elektrometreyi kullanarak ikinci dereceden yasayı oluşturduğuna dair kısa bir mesaj ortaya çıktı. 1767'de Priestley, History of Electricity adlı eserinde Franklin'in yüklü bir metal topun içinde elektrik alanının bulunmadığını keşfetmesinin şu anlama gelebileceğini kaydetti: "Elektriksel çekim yerçekimiyle tamamen aynı yasaya, yani uzaklığın karesine uyar". İskoç fizikçi John Robison (1822), 1769'da eşit elektrik yüklü topların aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle itildiğini keşfettiğini iddia etti ve böylece Coulomb yasasının (1785) keşfedilmesini öngördü.

Coulomb'dan yaklaşık 11 yıl önce, 1771'de, yüklerin etkileşimi yasası G. Cavendish tarafından deneysel olarak keşfedildi, ancak sonuç yayınlanmadı ve uzun süre (100 yıldan fazla) bilinmiyordu. Cavendish'in el yazmaları D. C. Maxwell'e ancak 1874'te Cavendish Laboratuvarı'nın açılışında Cavendish'in soyundan biri tarafından sunuldu ve 1879'da yayınlandı.

Coulomb, ipliklerin burulmasını bizzat inceledi ve burulma dengesini icat etti. Yüklü topların etkileşim kuvvetlerini ölçmek için bunları kullanarak yasasını keşfetti.

Coulomb yasası, süperpozisyon ilkesi ve Maxwell denklemleri

Coulomb yasası ve elektrik alanları için süperpozisyon ilkesi, elektrostatik ve için Maxwell denklemlerine tamamen eşdeğerdir. Yani, Coulomb yasası ve elektrik alanları için süperpozisyon ilkesi ancak ve ancak elektrostatik için Maxwell denklemleri karşılanırsa karşılanır ve bunun tersine, elektrostatik için Maxwell denklemleri ancak ve ancak Coulomb yasası ve elektrik alanları için süperpozisyon ilkesi karşılanırsa karşılanır.

Coulomb yasasının doğruluk derecesi

Coulomb yasası deneysel olarak kanıtlanmış bir gerçektir. Geçerliliği, doğruluğu giderek artan deneylerle defalarca doğrulanmıştır. Bu tür deneylerin bir yönü üssün farklı olup olmadığını test etmektir. R yasada 2'den. Bu farkı bulmak için, eğer güç tam olarak ikiye eşitse, o zaman boşluğun veya iletkenin şekli ne olursa olsun, iletkendeki boşluğun içinde hiçbir alan olmadığı gerçeğini kullanırız.

1971'de ABD'de E. R. Williams, D. E. Voller ve G. A. Hill tarafından yapılan deneyler, Coulomb yasasındaki üssün 2'ye eşit olduğunu gösterdi.

Coulomb yasasının atom içi uzaklıklardaki doğruluğunu test etmek için W. Yu. Lamb ve R. Rutherford 1947'de hidrojen enerjisi seviyelerinin göreceli konumlarının ölçümlerini kullandılar. Atomik 10−8 cm mertebesindeki mesafelerde bile Coulomb yasasındaki üssün 2'den 10−9'dan fazla farklı olmadığı bulundu.

Coulomb yasasındaki katsayı 15·10−6 doğrulukla sabit kalır.

Kuantum elektrodinamiğinde Coulomb yasasında yapılan değişiklikler

Küçük mesafelerde (Compton elektron dalga boyu mertebesinde, ≈3,86·10−13 m, burada elektron kütlesi Planck sabitidir, ışık hızıdır), kuantum elektrodinamiğinin doğrusal olmayan etkileri önemli hale gelir: sanal elektron-pozitron (ve ayrıca müon-antimüon ve taon-antitaon) çiftlerinin üretimi üzerine sanal fotonlar eklenir ve taramanın etkisi azalır (bkz. yeniden normalleştirme). Her iki etki de yüklerin etkileşim potansiyel enerjisinin ifadesinde üstel olarak azalan sıralı terimlerin ortaya çıkmasına ve bunun sonucunda etkileşim kuvvetinde Coulomb yasasıyla hesaplanana kıyasla bir artışa yol açar. Örneğin, SGS sistemindeki bir nokta yükün potansiyelinin ifadesi, birinci dereceden radyasyon düzeltmeleri dikkate alınarak şu şekli alır:

Elektronun Compton dalga boyu nerede, ince yapı sabiti ve. W bozonunun kütlesinin olduğu ~ 10−18 m civarındaki mesafelerde elektrozayıf etkiler devreye girmektedir.

Vakum bozulma alanının gözle görülür bir kısmını oluşturan güçlü dış elektromanyetik alanlarda (~1018 V/m veya ~109 Tesla düzeyinde, bu tür alanlar örneğin bazı nötron yıldız türlerinin, yani magnetarların yakınında), Coulomb's gözlemlenir. Kanun aynı zamanda Delbrück'ün dış alan fotonları üzerindeki değişim fotonları saçılımı ve diğer daha karmaşık doğrusal olmayan etkiler nedeniyle de ihlal edilmektedir. Bu olay Coulomb kuvvetini yalnızca mikro ölçekte değil aynı zamanda makro ölçekte de azaltır; özellikle güçlü bir manyetik alanda Coulomb potansiyeli mesafeyle ters orantılı olarak değil, üstel olarak düşer.

Coulomb yasası ve vakum polarizasyonu

Kuantum elektrodinamiğinde vakum polarizasyonu olgusu, sanal elektron-pozitron çiftlerinin oluşumundan oluşur. Elektron-pozitron çiftlerinden oluşan bir bulut, elektronun elektrik yükünü perdeliyor. Perdeleme elektrondan uzaklaştıkça artar; sonuç olarak elektronun etkin elektrik yükü mesafenin azalan bir fonksiyonudur. Elektrik yüküne sahip bir elektronun yarattığı etkin potansiyel, forma bağımlılıkla açıklanabilir. Etkin yük, logaritmik yasaya göre mesafeye bağlıdır:

T.n. ince yapı sabiti ≈7,3·10−3;

T.n. klasik elektron yarıçapı ≈2,8·10−13 cm..

Juhling etkisi

Bir boşluktaki nokta yüklerin elektrostatik potansiyelinin Coulomb yasasının değerinden sapması olgusu Juhling etkisi olarak bilinir; bu, hidrojen atomu için Coulomb yasasından sapmaları hesaplayan ilk kişiydi. Uehling etkisi Lamb kaymasında 27 MHz'lik bir düzeltme sağlar.

Coulomb yasası ve süper ağır çekirdekler

Yüklü süper ağır çekirdeklerin yakınındaki güçlü bir elektromanyetik alanda, geleneksel faz geçişine benzer şekilde vakumun yeniden yapılandırılması meydana gelir. Bu, Coulomb yasasında değişikliklere yol açar

Coulomb yasasının bilim tarihindeki önemi

Coulomb yasası, elektromanyetik olaylar için matematiksel dilde formüle edilen ilk açık niceliksel yasadır. Modern elektromanyetizma bilimi Coulomb yasasının keşfiyle başladı.

Ayrıca bakınız

• Elektrik alanı
• Uzun mesafe
• Biot-Savart-Laplace yasası
• Çekim Yasası
• Kolye, Charles Augustin de
• Sarkıt (ölçü birimi)
• Üstüste binme ilkesi
• Maxwell denklemleri

Bağlantılar

• Coulomb Yasası (video ders, 10. sınıf programı)

Notlar

1. Landau L. D., Lifshits E. M. Teorik fizik: Ders Kitabı. kılavuz: Üniversiteler için. 10 ciltte T. 2 Alan teorisi. - 8. baskı, stereot. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 s. - ISBN 5-9221-0056-4 (Cilt 2), Bölüm. 5 Sabit elektromanyetik alan, paragraf 38 Düzgün hareket eden yükün alanı, s.132
2. Landau L. D., Lifshits E. M. Teorik fizik: Ders Kitabı. kılavuz: Üniversiteler için. 10 ciltte T. 3. Kuantum mekaniği (göreceli olmayan teori). - 5. baskı, stereot. - M.: Fizmatlit, 2002. - 808 s. - ISBN 5-9221-0057-2 (Cilt 3), bölüm. 3 Schrödinger denklemi, s.17 Schrödinger denklemi, s. 74
3. G. Bethe Kuantum mekaniği. - başına. İngilizce'den, ed. V. L. Bonch-Bruevich, “Mir”, M., 1965, Bölüm 1 Atomik yapı teorisi, Ch. 1 Schrödinger denklemi ve çözümü için yaklaşık yöntemler, s. on bir
4. R. E. Peierls Doğa kanunları. Lane İngilizceden tarafından düzenlendi prof. I. M. Khalatnikova, Fiziksel ve Matematiksel Edebiyat Devlet Yayınevi, M., 1959, kademe. 20.000 kopya, 339 s., Ch. 9 “Yüksek hızlarda elektronlar”, paragraf “Yüksek hızlarda kuvvetler. Diğer zorluklar", s. 263
5. L. B. Okun... z Temel parçacıkların fiziğine temel giriş, M., Nauka, 1985, Kütüphane "Kvant", cilt. 45, s. “Sanal parçacıklar”, s. 57.
6. Yeni İletişim Acad. Sc. Göstr. Petropolitanae, v. IV, 1758, s. 301.
7. Epinus F.T.U. Elektrik ve manyetizma teorisi. - L.: SSCB Bilimler Akademisi, 1951. - 564 s. - (Bilim klasikleri). - 3000 kopya.
8. Abel Soçin (1760) Acta Helvetica, cilt. 4, sayfa 224-225.
9. J. Priestley. Özgün deneylerle Elektriğin Tarihçesi ve Bugünkü Durumu. Londra, 1767, s. 732.
10. John Robinson Bir Mekanik Felsefe Sistemi(Londra, İngiltere: John Murray, 1822), cilt. 4. Sayfa 68'de Robison, 1769'da benzer yüklü küreler arasında etki eden kuvvete ilişkin ölçümlerini yayınladığını ve ayrıca Apinus, Cavendish ve Coulomb adlarına dikkat çekerek bu alandaki araştırmaların tarihini anlattığını belirtmektedir. Sayfa 73'te yazar, kuvvetin şu şekilde değiştiğini yazıyor: X−2,06.
11. S. R. Filonovich “Cavendish, Coulomb ve Elektrostatik”, M., “Bilgi”, 1988, BBK 22.33 F53, bölüm. "Hukukun Kaderi", s. 48
12. R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Feynman Lectures on Physics, cilt. 5, "Elektrik ve Manyetizma", çev. İngilizce'den, ed. Ya A. Smorodinsky, ed. 3, M., Editoryal URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Elektrik ve manyetizma), ISBN 5-354-00698-8 (Tüm çalışma), bölüm. 4 “Elektrostatik”, paragraf 1 “Statik”, s. 70-71;
13. R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Feynman Lectures on Physics, cilt. 5, "Elektrik ve Manyetizma", çev. İngilizce'den, ed. Ya A. Smorodinsky, ed. 3, M., Editoryal URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Elektrik ve manyetizma), ISBN 5-354-00698-8 (Tüm çalışma), bölüm. 5 “Gauss Yasasının Uygulanması”, paragraf 10 “İletken boşluğunun içindeki alan”, s. 106-108;
14. E. R. Williams, J. E. Faller, H. A. Hill "Coulomb Yasasının Yeni Deneysel Testi: Foton Dinlenme Kütlesinin Laboratuvar Üst Sınırı", Phys. Rev. Lett. 26, 721-724 (1971);
15. W. E. Lamb, R. C. Retherford Hidrojen Atomunun Mikrodalga Yöntemiyle İnce Yapısı (İngilizce) // Fiziksel İnceleme. - T. 72. - No. 3. - S. 241-243.
16. 1 2 R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Feynman Lectures on Physics, cilt. 5, "Elektrik ve Manyetizma", çev. İngilizce'den, ed. Ya A. Smorodinsky, ed. 3, M., Editoryal URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Elektrik ve manyetizma), ISBN 5-354-00698-8 (Tüm çalışma), bölüm. 5 “Gauss Yasasının Uygulanması”, paragraf 8 “Coulomb Yasası Doğru mu?”, s. 103;
17. CODATA (Bilim ve Teknoloji Verileri Komitesi)
18. Berestetsky, V.B., Lifshits, E.M., Pitaevsky, L.P. Kuantum elektrodinamiği. - 3. baskı, revize edilmiş. - M .: Nauka, 1989. - S. 565-567. - 720 sn. - (“Teorik Fizik”, cilt IV). - ISBN 5-02-014422-3
19. Neda Sadooghi Güçlü bir manyetik alanda QED'nin değiştirilmiş Coulomb potansiyeli (İngilizce).
20. Okun L. B. “Temel Parçacıkların Fiziği”, ed. 3rd, M., “Editör URSS”, 2005, ISBN 5-354-01085-3, BBK 22.382 22.315 22.3o, ch. 2 “Yerçekimi. Elektrodinamik", "Vakum Polarizasyonu", s. 26-27;
21. “Mikro dünyanın fiziği”, bölüm. ed. D. V. Shirkov, M., “Sovyet Ansiklopedisi”, 1980, 528 s., ill., 530.1(03), F50, md. "Etkili suçlama", yazar. Sanat. D.V. Shirkov, s.496;
22. Yavorsky B. M. “Mühendisler ve üniversite öğrencileri için fizik el kitabı” / B. M. Yavorsky, A. A. Detlaf, A. K. Lebedev, 8. baskı, gözden geçirildi. ve rev., M.: Onyx Publishing House LLC, Mir ve Education Publishing House LLC, 2006, 1056 s.: ill., ISBN 5-488-00330-4 (Onyx Publishing House LLC), ISBN 5-94666 -260- 0 (Yayınevi Mir and Education LLC), ISBN 985-13-5975-0 (Harvest LLC), UDC 530 (035) BBK 22.3, Ya22, “Uygulamalar”, “Temel fiziksel sabitler”, ile . 1008;
23. Uehling E.A., Phys. Rev., 48, 55, (1935)
24. “Mezonlar ve alanlar” S. Schweber, G. Bethe, F. Hoffmann cilt 1 Fields ch. 5 Dirac denkleminin özellikleri s.2. Negatif enerjili durumlar c. 56, bölüm. 21 Yeniden normalleştirme, paragraf 5 336'dan vakum polarizasyonu
25. A. B. Migdal “Güçlü alanlarda vakum polarizasyonu ve pion yoğunlaşması”, “Fiziksel Bilimlerdeki Gelişmeler”, v. 123, v. 3, 1977, Kasım, s. 369-403;
26. Spiridonov O.P. “Evrensel fiziksel sabitler”, M., “Aydınlanma”, 1984, s. 52-53;

Edebiyat

1. Filonovich S. R. Klasik hukukun kaderi. - M., Nauka, 1990. - 240 s., ISBN 5-02-014087-2 (Kvant Kütüphanesi, sayı 79), ref. 70500 kopya

• Fiziksel yasalar
• Elektrostatik

Coulomb yasası

Coulomb yasası- yok edilemez iki nokta yükü arasındaki etkileşimin büyüklüğünü ve doğrudan kuvvetini belirleyen elektrostatik temel yasalarından biri. Yasa ilk olarak 1773 yılında Henry Cavendish tarafından deneysel olarak tatmin edici bir doğrulukla oluşturuldu. Sonuçlarını yayınlamadan küresel kapasitör yöntemini geliştirdi. 1785 yılında Charles Coulomb tarafından özel burulma kelepçelerinin yardımıyla yasa oluşturuldu.

Viznachennya

vektör formu için:

F 12 = k ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F_(12)) =k\cdot (\frac (q_(1)\cdot q_(2))(r_(12) ^(3)))\mathbf (r_(12)) ,

Etkileşim kuvveti yüklerle aynı yöne yönlendirilir, benzer yükler birbirini çeker ve zıt olanlar çeker.Coulomb yasasına göre belirlenen kuvvetler toplanır.

Yasanın formüle edilebilmesi için aşağıdaki zihinlerin kutsanması gerekir:

1. Yüklü cisimler arasındaki yüklerin doğruluğu, cismin boyutuna bağlı olarak çok daha fazla olabilir.
2. Kırılmaz suçlamalar. Uzun süren bir olayda, çökmekte olan yüke bir manyetik alan eklemek gerekir.
3. Kanun boşluktaki suçlamalar için formüle edilmiştir.

Elektrostatik oldu

Orantılılık faktörü k Buna elektrostatik çelik denir. Yok olma birimlerinin seçiminde yalan söylemek. Böylece, Uluslararası Sistemin birimleri (CI) vardır.

K = 1 4 π ε 0 ≈ (\displaystyle k=(\frac (1)(4\pi \varepsilon _(0)))\approx ) 8,987742438 109 N m2 Cl-2,

de ε 0 (\displaystyle \varepsilon _(0)) - elektrikli hale geldi. Coulomb yasası şöyle görünür:

F 12 = 1 4 π ε 0 q 1 q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F) _(12)=(\frac (1)(4\pi \varepsilon _(0))))(\ frac (q_(1)q_(2))(r_(12)^(3)))\mathbf (r) _(12)) .

Son üç yıldır bazı modifikasyonların ana sistemi GHS sistemi oldu. GHS sisteminin çeşitlerinden biri olan Gauss birim sistemi temel alınarak birçok klasik fizik literatürü yazılmıştır. Yük birimi öyle düzenlenmiştir ki k=1 ve Coulomb yasası şu şekli alır:

F 12 = q 1 q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F) _(12)=(\frac (q_(1)q_(2))((r)_(12)^(3) ))\mathbf (r) _(12)) .

Coulomb yasasının benzer bir biçimi, atom fiziğinde kuantum kimyasal reaksiyonlar için kullanılan atom sisteminde de mevcut olabilir.

Coulomb yasası ortada

Ortamda kutuplaşmanın bir sonucu olarak yükler arasındaki etkileşim kuvveti değişir. Homojen bir izotropik ortam için dielektrik çelik veya dielektrik penetrasyon adı verilen ve ε (\displaystyle \varepsilon) olarak da adlandırılan bu ortamın orantısal değer karakteristiğinde bir değişiklik olur. CI sistemindeki Coulomb kuvveti şuna benzer:

F 12 = 1 4 π ε ε 0 q 1 q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F) _(12)=(\frac (1)(4\pi \varepsilon \varepsilon _(0)) )(\frac (q_(1)q_(2))(r_(12)^(3)))\mathbf (r) _(12)) .

Dielektriklik bire çok yaklaşmıştır, dolayısıyla bu durumda vakum formülü yeterli doğrulukla belirlenebilir.

Keşif geçmişi

Elektrikli cisimler arasındaki etkileşimlerin, ağır alanın karesiyle aynı orantı yasasına tabi olduğu yönündeki varsayımlar, 18. yüzyılın ortalarında soyundan gelenler tarafından defalarca belirlendi. 1770'lerin başında Henry Cavendish deneysel olarak keşfetti, ancak sonuçlarını yayınlamadı ve ancak 19. yüzyılın sonunda tanındı. arşivlerimin yayınlanmasından sonra. Charles Coulomb, 1785 yasasını Fransız Bilimler Akademisi'ne sunduğu iki anısında yayınladı. 1835'te Karl Gaus, Coulomb yasasına dayanarak türetilen Gaus teoremini yayınladı. Gaus teoremine göre Coulomb yasası elektrodinamiğin temel ilkeleri arasında yer almaktadır.

Yasayı tersine çevirmek

Cavendish yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen karasal zihinlerdeki deneylerde makroskopik incelemeler için, R Coulomb yasasında 2'yi 6·10−16'dan fazla bölmek imkansızdır. Alfa parçacıklarının saçılmasıyla ilgili deneylerden, Coulomb yasasının 10−14 m mesafelere kadar ihlal edilmediği görülmektedir.Öte yandan, yüklü parçacıkların bu mesafelerdeki etkileşimini tanımlamak için, hangi terimlerle anlaşıldığı anlaşılmaktadır. Hukuk formüle edilmiştir (kuvvet kavramı, loca tarafından), duyuları harcar. Bu geniş ölçekli alan kuantum mekaniğinin kanunlarına sahiptir.

Coulomb yasası, şarj frekanslarının etkileşiminin sanal foton değişimini içerdiği çerçevede kuantum elektrodinamiğinin miraslarından biri olarak kullanılabilir. Sonuç olarak, kuantum elektrodinamiğinin ilkelerinin test edilmesiyle elde edilen deneylerin ardından Coulomb yasasını test etmek mümkündür. Bu nedenle, elektronların ve pozitronların yok olmasıyla ilgili deneyler, kuantum elektrodinamiği yasalarının 10−18 m'lik mesafeler için geçerli olmadığını göstermektedir.

Bölüm Ayrıca

• Gaus teoremi
• Lorentz kuvveti

Dzherela

• Goncharenko S.U. Fizik: Temel kanunlar ve formüller.. - K.: Libid, 1996. - 47 s.
• Kucheruk I. M., Gorbaçuk I. T., Lutsik P.P. Elektrik ve manyetizma // Zagalny fizik dersi. - K.: Tekhnika, 2006. - T. 2. - 456 s.
• Frish S.E., Timoreva A.V. Elektrik ve elektromanyetik kutular // Küresel fizik dersi. - K.: Radyanska Okulu, 1953. - T. 2. - 496 s.
• Fiziksel Ansiklopedi / Ed. A. M. Prokhorova. - M .: Sovyet Ansiklopedisi, 1990. - T. 2. - 703 s.
• Sivukhin D.V. Elektrik // Genel fizik dersi. - M.: Fizmatlit, 2009. - T. 3. - 656 s.

Notlar

1. A B Coulomb yasası kuru yüklere yakından uygulanabilir çünkü akışkanlıkları ışıktan çok daha düşüktür.
2. A B Y - Coulomb (1785a) "Premier mémoire sur l'électricité et le magnétisme" , sayfa 569-577 -- Pandantif, aynı yüklerin yerleştirilmesi için kuvvetten yapılmıştır:
   

   Sayfa 574: Bu üç denemenin sonucu, doğadaki elektrik toplarının başka bir yerde uyguladığı itici eylem, mesafelerin tersinin sebebine uyuyor.

   Tercüme: Ayrıca, bu üç sonuçtan, aynı nitelikteki elektrikle yüklenen iki elektrikli bobin arasındaki kuvvetin, mesafenin karesine kadar sınırlandırılmış orantı yasasını takip ettiği sonucu çıkar.

   Y - Coulomb (1785b) "Second mémoire sur l'électricité et le magnétisme," Royale Bilimler Akademisi Tarihi, sayfa 578-611. - Pandantif, bitişik yüklere sahip cisimlerin orantısal ilişkileri nedeniyle kuvvet tarafından çekildiğini gösterdi.

3. Böyle açıkça karmaşık bir akıl yürütme formülünün seçimi, Uluslararası Sistemde temel birimin elektrik yükü değil, elektrik akımı amper birimi olması ve elektrodinamiğin ana seviyesinin 4 π çarpanı olmadan yazılmasından kaynaklanmaktadır. (\displaystyle 4\pi ) .

Coulomb yasası

Irina Ruderfer

Coulomb yasası noktasal elektrik yüklerinin etkileşimi ile ilgili bir yasadır.

1785 yılında Coulomb tarafından keşfedilmiştir. Charles Coulomb, metal toplarla çok sayıda deney yaptıktan sonra yasanın aşağıdaki formülasyonunu vermiştir:

Bir boşluktaki iki sabit yüklü cisim arasındaki etkileşim kuvveti, yükleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilir, yük modüllerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.
Yasanın doğru olabilmesi için aşağıdakilerin gerekli olduğuna dikkat etmek önemlidir:
1. yüklerin nokta niteliği - yani yüklü cisimler arasındaki mesafe, boyutlarından çok daha fazladır.
2.hareketsizlikleri. Aksi takdirde, ek etkilerin hesaba katılması gerekir: hareketli bir yükün ortaya çıkan manyetik alanı ve buna karşılık gelen, başka bir hareketli yüke etki eden ilave Lorentz kuvveti.
3. boşlukta etkileşim.
Ancak kanun bazı düzenlemelerle yüklerin ortamdaki etkileşimleri ve hareketli yükler için de geçerlidir.

C. Coulomb'un formülasyonunda vektör formunda yasa şu şekilde yazılmıştır:

Burada F1,2, yük 1'in yük 2'ye etki ettiği kuvvettir; q1,q2 - yüklerin büyüklüğü; - yarıçap vektörü (yük 1'den yük 2'ye yönlendirilen ve mutlak değer olarak yükler arasındaki mesafeye eşit olan vektör - r12); k - orantılılık katsayısı. Dolayısıyla yasa, benzer yüklerin birbirini ittiğini (ve farklı yüklerin çektiğini) belirtir.

Tahıllara karşı ütülemeyin!

Binlerce yıldır elektriğin varlığını bilen insanlar, onu bilimsel olarak incelemeye ancak 18. yüzyılda başladı. (Bu konuyu ele alan dönemin bilim adamlarının, elektriği fizikten ayrı bir bilim olarak tanımlamaları ve kendilerine "elektrikçi" adını vermeleri ilginçtir.) Elektriğin öncülerinden biri de Charles Augustin de Coulomb'du. Çeşitli elektrostatik yükler taşıyan cisimler arasındaki etkileşim kuvvetlerini dikkatle inceledikten sonra, şimdi kendi adını taşıyan yasayı formüle etti. Temel olarak deneylerini şu şekilde gerçekleştirdi: en ince ipliklere asılan iki küçük topa çeşitli elektrostatik yükler aktarıldı, ardından toplarla süspansiyonlar yaklaştı. Yeterince yaklaştıklarında, toplar birbirlerine çekilmeye (elektrik yüklerinin zıt kutupları ile) veya itilmeye (tek kutuplu yükler durumunda) başladı. Sonuç olarak iplikler, elektrostatik çekme veya itme kuvvetlerinin yerçekimi kuvvetleriyle dengelendiği yeterince büyük bir açıyla dikeyden saptı. Sapma açısını ölçen ve topların kütlesini ve süspansiyonların uzunluğunu bilen Coulomb, topların birbirinden farklı mesafelerindeki elektrostatik etkileşim kuvvetlerini hesapladı ve bu verilere dayanarak ampirik bir formül türetti:

Q ve q, elektrostatik yüklerin büyüklükleri olduğunda, D, aralarındaki mesafedir ve k, deneysel olarak belirlenen Coulomb sabitidir.

Coulomb yasasındaki iki ilginç noktaya hemen dikkat çekelim. İlk olarak, matematiksel formunda Newton'un evrensel çekim yasasını tekrarlar, eğer ikincisinde kütleleri yüklerle ve Newton sabitini Coulomb sabitiyle değiştirirsek. Ve bu benzerliğin her türlü nedeni var. Modern kuantum alan teorisine göre, hem elektrik hem de yerçekimsel alanlar, fiziksel bedenler kendi aralarında dinlenme kütlesinden yoksun temel enerji taşıyan parçacıkları (sırasıyla fotonlar veya gravitonlar) değiştirdiğinde ortaya çıkar. Dolayısıyla, yerçekimi ve elektriğin doğasındaki bariz farklılığa rağmen, bu iki kuvvetin pek çok ortak noktası vardır.

İkinci önemli not Coulomb sabitiyle ilgilidir. İskoç teorik fizikçi James Clerk Maxwell, elektromanyetik alanların genel bir tanımı için Maxwell'in denklem sistemini türettiğinde, Coulomb sabitinin doğrudan ışık hızı c ile ilişkili olduğu ortaya çıktı. Son olarak Albert Einstein, görelilik teorisi çerçevesinde c'nin temel bir dünya sabiti rolünü oynadığını gösterdi. Bu şekilde, modern bilimin en soyut ve evrensel teorilerinin, daha önce elde edilen sonuçları özümseyerek, masaüstü fiziksel deneylere dayanarak çıkarılan basit sonuçlarla başlayarak, yavaş yavaş nasıl geliştiğinin izi sürülebilir.
http://elementy.ru/trefil/coulomb_law
http://www.fieldphysics.ru/coulombs_law/
http://www.vnz.ru/spravki/zakon-Kulona.html