KULONA LIKUMS: SKAIDROJUMS, FORMULA UN VIENĪBAS, VINGRINĀJUMI, EKSPERIMENTI - FIZISKĀ - 2025

Kulons likums ir fiziska likums regulē mijiedarbību starp elektriski iekasē objektiem. To izteicis franču zinātnieks Čārlzs Augustīns de Kulons (1736-1806), pateicoties viņa eksperimentu rezultātiem, izmantojot vērpes līdzsvaru.

1785. gadā Kulons eksperimentēja neskaitāmas reizes ar mazām elektriski lādētām sfērām, piemēram, pārvietojot divas sfēras tuvāk vai tālāk viena no otras, mainot to lādiņa lielumu un arī zīmi. Vienmēr uzmanīgi novērojiet un ierakstiet katru atbildi.

1. attēls. Shēma, kurā parādīta mijiedarbība starp punktveida elektriskajiem lādiņiem, izmantojot Kulona likumu.

Šīs mazās sfēras var uzskatīt par punktveida lādiņiem, tas ir, objektiem, kuru izmēri ir nenozīmīgi. Un viņi piepilda, kā tas bija zināms jau kopš seno grieķu laikiem, ka pievilcības rada gan viena, gan cita zīme.

2. attēls. Par vissvarīgāko fiziķi Francijā tiek uzskatīts militārais inženieris Šarls Kulons (1736–1806). Avots: Wikipedia Commons.

Paturot to prātā, Čārlzs Kulons secināja:

-Pievilces vai atgrūšanas spēks starp diviem punktveida lādiņiem ir tieši proporcionāls lādiņu lieluma reizinājumam.

- Minētais spēks vienmēr tiek virzīts pa līniju, kas pievienojas lādiņiem.

-Visbeidzot, spēka lielums ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam, kas atdala lādiņus.

Kulona likuma formula un vienības

Pateicoties šiem novērojumiem, Kulons secināja, ka spēka F lielums starp diviem punktu lādiņiem q ₁ un q ₂ , atdalīts ar attālumu r, ir matemātiski izteikts šādi:

Tā kā spēks ir vektora lielums, lai to pilnībā izteiktu, vienības vektors r tiek noteikts līnijas virzienā, kas savieno lādiņus (vienības vektora lielums ir vienāds ar 1).

Turklāt proporcionalitātes konstante, kas nepieciešama, lai pārvērstu iepriekšējo izteiksmi vienādībā, tiek saukta k _e vai vienkārši k: elektrostatiskā konstante vai Kulona konstante.

Visbeidzot, ir noteikts Kulonas likums par maksu par punktiem, ko izdod:

Spēks, kā vienmēr Starptautiskajā vienību sistēmā, nāk ņūtonos (N). Attiecībā uz lādiņiem vienība tiek nosaukta par kulonu (C) par godu Šarlam Kulonam, un visbeidzot attālums r nāk metros (m).

Cieši aplūkojot iepriekš minēto vienādojumu, ir skaidrs, ka elektrostatiskajai konstantei jābūt Nm ² / C ² vienībām , lai rezultātā iegūtu ūtonus. Konstantes vērtību eksperimentāli noteica šādi:

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

1. attēlā parādīta mijiedarbība starp diviem elektriskiem lādiņiem: ja tiem ir viena un tā pati zīme, tie atgrūž, pretējā gadījumā tie piesaista.

Ņemiet vērā, ka Kulona likums atbilst Ņūtona trešajam likumam vai darbības un reakcijas likumam, tāpēc F ₁ un F ₂ lielumi ir vienādi, virziens ir vienāds, bet virzieni ir pretēji.

Kā piemērot Kulona likumu

Lai atrisinātu problēmas, kas saistītas ar mijiedarbību starp elektriskajiem lādiņiem, jāņem vērā:

- Vienādojums attiecas tikai uz punktveida lādiņiem, tas ir, uz elektriski lādētiem objektiem, bet ar ļoti maziem izmēriem. Ja piekrautajiem objektiem ir izmērāmi izmēri, tie ir jāsadala ļoti mazās slodzēs un pēc tam jāpievieno katras no šīm kravām, kurām nepieciešams neatņemams aprēķins.

- Elektriskais spēks ir vektora lielums. Ja ir vairāk nekā divi savstarpēji saistīti lādiņi, lādiņa neto spēku q _i nosaka pēc superpozīcijas principa:

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

Ja indekss j ir 1, 2, 3, 4 … un apzīmē katru no atlikušajām maksām.

- Jums vienmēr jābūt saskaņotam ar vienībām. Visbiežāk strādā ar elektrostatisko konstanti SI vienībās, tad jāpārliecinās, ka lādiņi ir kulonos un attālumi metros.

- visbeidzot, vienādojumu piemēro, ja lādiņi ir statiskā līdzsvarā.

Atrisināti vingrinājumi

- 1. vingrinājums

Nākamajā attēlā ir divas punktu maksas + q un + 2q. Trešais punktveida lādiņš –q tiek novietots P vietā. Lūdza atrast šī lādiņa elektrisko spēku citu klātbūtnes dēļ.

3. attēls. Izkārtotā uzdevuma shēma 1. Avots: Giambattista, A. Fizika.

Risinājums

Pirmais ir izveidot piemērotu atskaites sistēmu, kas šajā gadījumā ir horizontālā ass vai x ass. Šādas sistēmas izcelsme var būt jebkur, taču ērtības labad tā tiks novietota P, kā parādīts 4.a attēlā:

4. attēls. Atrisinātā uzdevuma shēma 1. Avots: Giambattista, A. Fizika.

Parādīta arī spēku diagramma uz –q, ņemot vērā, ka to piesaista pārējie divi (4.b attēls).

Sauksim F ₁ par spēku, ko lādiņš q ietekmē lādiņam –q, tie ir vērsti pa x asi un ir norādīti negatīvajā virzienā, tāpēc:

Līdzīgi aprēķina F ₂ :

Ņemiet vērā, ka F ₂ lielums ir puse no F ₁ , kaut arī lādiņš ir divkāršs. Lai atrastu neto spēku, visbeidzot vektoriski pievieno F ₁ un F ₂ :

- 2. vingrinājums

Divām polistirola bumbiņām ar vienādu masu m = 9,0 x 10 ^-8 kg ir tāda pati pozitīvā lādiņa Q, un tās ir suspendētas ar zīda diegu, kura garums ir L = 0,98 m. Sfēras tiek atdalītas ar attālumu d = 2 cm. Aprēķiniet Q vērtību.

Risinājums

Paziņojuma situācija ir aprakstīta 5.a attēlā.

5. attēls. Vingruma izšķirtspējas shēmas. 2. Avots: Giambattista, A. Fizika / F. Zapata.

Mēs izvēlamies vienu no sfērām, un uz tās mēs uzzīmējam izolētās ķermeņa diagrammu, kurā ietverti trīs spēki: svars W , spriegojums virknē T un elektrostatiskā atgrūšana F, kā parādīts 5.b attēlā. Un tagad soļi:

1. solis

Vērtību θ / 2 aprēķina ar trīsstūri 5.c attēlā:

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

2. solis

Tālāk mums jāpiemēro Ņūtona otrais likums un jāiestata tam vienāds ar 0, jo lādiņi ir statiskā līdzsvarā. Svarīgi atzīmēt, ka spriedze T ir slīpa un tai ir divas sastāvdaļas:

∑F _x = -T. Sin θ + F = 0

∑F _y = T.cos θ - W = 0

3. solis

Mēs spriežam pēc pēdējā vienādojuma stresa lieluma:

T = W / cos θ = mg / cos θ

4. solis

Šī vērtība tiek aizstāta ar pirmo vienādojumu, lai atrastu F lielumu:

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

5. solis

Tā kā F = k Q ² / d ² , mēs Q risinām:

Q = 2 × 10 ^-11 C.

Eksperimenti

Pārbaudīt Kulona likumu ir viegli, izmantojot vērpes līdzsvaru, kas ir līdzīgs tam, kuru Kulons izmantoja viņa laboratorijā.

Ir divas mazas plūškoka sfēras, no kurām viena, tā, kas atrodas svara centrā, ir apturēta ar diegu. Eksperiments sastāv no izlādēto plūškoka lodīšu pieskaršanās citai metāliskai lodei, kas uzlādēta ar Q lādiņu.

6. attēls. Kulona vērpes bilance.

Tūlīt lādiņš tiek vienādi sadalīts starp abām plūškoka sfērām, bet, tā kā tās ir vienas un tās pašas zīmes lādiņi, tās atgrūž viena otru. Uz piekārto sfēru iedarbojas spēks, kas izraisa vītnes sagriešanos, no kuras tā karājas, un nekavējoties virzās prom no fiksētās sfēras.

Tad mēs redzam, ka tas svārstās pāris reizes, līdz tas sasniedz līdzsvaru. Tad stieņa vai vītnes, kas to notur, vērpes tiek līdzsvarotas ar elektrostatiskās atgrūšanas spēku.

Ja sākotnēji sfēras atradās 0º leņķī, tagad kustīgā lode būs pagriezta leņķī θ. Apkārt skalai ir lente, kas graduēta grādos, lai izmērītu šo leņķi. Iepriekš nosakot vērpes konstanti, tad plūškoka sfērās iegūto atgrūdošo spēku un lādiņa vērtību var viegli aprēķināt.

Atsauces

1. Figueroa, D. 2005. Sērija: Zinātņu un inženierzinātņu fizika. 5. sējums. Elektrostatika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Fizika. Otrais izdevums. Makgreiva kalns.
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. Eds Prentice Hall.
4. Resnick, R. 1999. Fizika. 2. sēj., Spāņu valodā. Compañía Continental SA de CV
5. Sīrs, Zemanskis. 2016. Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14. Ed. 2. sējums.