Закон Кулона, определение и формула — электрические точечные заряды и их взаимодействие

Как направлены силы

Заряды взаимодействуют друг с другом в зависимости от их полярности — одинаковые отталкиваются, а разноименные (противоположные) притягиваются.

Кстати это главное отличие от подобного закона гравитационного взаимодействия, где тела всегда притягиваются. Силы направлены вдоль линии, проведенной между ними, называют радиус-вектором. В физике обозначают как r₁₂ и как радиус-вектор от первого ко второму заряду и наоборот. Силы направлены от центра заряда к противоположному заряду вдоль этой линии, если заряды противоположны, и в обратную сторону, если они одноименные (два положительных или два отрицательных). В векторном виде:

Сила, приложенная к первому заряду со стороны второго обозначается как F_12. Тогда в векторной форме закон Кулона выглядит следующим образом:

Для определения силы приложенной ко второму заряду используются обозначения F₂₁ и R₂₁.

Если тело имеет сложную форму и оно достаточно большое, что при заданном расстоянии не может считаться точечным, тогда его разбивают на маленькие участки и считают каждый участок как точечный заряд. После геометрического сложения всех получившихся векторов получают результирующую силу. Атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом по этому же закону.

Экспериментальная проверка закона Кулона методом Кавендиша.

Задача ставится следующим образом: представляем закон Кулона в следующем виде (методика
(1767)).

   (3.2)

Требуется определить порядок малости величины a.

Пусть имеется заряженная сфера с поверхностной плотностью заряда s (рис.3.3).

На точечный заряд q внутри сферы должна действовать сила, модуль которой равен

Напомним, что телесный (пространственный) угол определяется следующим образом (рис.3.3а) Так как телесные углы равны друг другу по построению (рис.3.3), то

Если a#0, то на любой заряд внутри сферы будет действовать отличная
от нуля сила. Следовательно, в заряженном проводящем шаре заряд будет располагаться
не только по поверхности, но и внутри.

Имеется шар диаметром 12,1 дюйма, покрытый оловянной бумагой (станиолем)
на который могут быть надеты две съемные полусферы диаметром 13,3 дюйма (рис.3.4).
Шар заряжается, полусферы надеваются и соединяются с шаром металлической проволокой.
После этого с помощью шелковой нити проволока удаляется, а оболочки с помощью
изолирующих ручек снимаются. Исследуется оставшийся на шаре заряд, ибо если
есть отклонения от закона Кулона, то часть заряда останется на шаре. Таким образом,
Кавендиш установил, что a<0,02, Максвелл дал значение
a<5.10-5, Плимптон и Лаутон (1936)
a<10-9,
а эксперименты 1971 года достигли точности
a<2,7.10-16.

Заметим, что совсем
не обязательно шлифовать шар с такой точностью. Далее мы увидим, что внутри
любой проводящей поверхности нет зарядов.

rem: Заряды в однородном проводнике располагаются на поверхности именно из-за закона обратных квадратов.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.

В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.

Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

Решение практических задач

Два одинаковых шара, один из которых имеет электрический заряд, приводятся в соприкосновение. Расстояние между предметами становится равным 15 см. Известно, что заряженное тело воздействует на незаряженный шар с отталкивающей силой F = 1 мН. Требуется определить первоначальный заряд активного шарика.

При контакте шаров электрический заряд разделяется пополам. По данной величине силы отталкивания определяется заряженность обоих предметов. Преобразование формулы Кулона даёт математическое выражение q2= (F ∙ r2) ∕ k.

Не может не внушать глубокого уважения жизнь, посвящённая служению Отечеству. Но особое восхищение вызывает труд, направленный на углубление знания человечества о законах природы. На I Международном электрическом конгрессе, который проходил 1881 году в Париже, единицам электротехнических измерений присвоили фамилии учёных, открывших их. Кулон возглавляет список.

Где закон Кулона применяется на практике

Фундаментальный закон электростатики – важнейшее открытие Шарля Кулона, которое нашло применение во многих областях.

Работы знаменитого физика были использованы в процессе изобретения различных приборов, инструментов, аппаратов. Например, молниеотвод.

Молниеотводы защищают дома и здания от ударов молнии во время грозы. Это повышает степень защиты электрооборудования.

Молниеотводы работают по следующему принципу: во время грозы на земле постепенно накапливаются сильные индуктивные заряды, которые поднимаются вверх и притягиваются облаками. Это создает большое электрическое поле на земле. Вблизи молниеотвода электрическое поле становится сильнее, так что от наконечника устройства зажигается коронообразный электрический заряд.

Затем заряд, созданный на земле, притягивается к заряду облака с противоположным знаком, как и должно быть согласно закону Шарля Кулона. Затем воздух подвергается процессу ионизации, и напряженность электрического поля становится ниже вблизи конца молниеотвода. Это сводит к минимуму риск попадания молнии в здание.

Обратите внимание! Если в здание, на котором установлен молниеотвод, ударит молния, пожара не произойдет, а вся энергия уйдет в землю. На основе закона Кулона было разработано устройство под названием “ускоритель частиц”, которое сейчас пользуется большим спросом

На основе закона Кулона было разработано устройство под названием “ускоритель частиц”, которое сейчас пользуется большим спросом.

Это устройство создает сильное электрическое поле, которое увеличивает энергию попадающих в него частиц.

Концепция электрического поля также основана на знании кулоновской силы. Было доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака – это не что иное, как скопление электрических зарядов. Они притягивают индуцированные заряды из земли, что вызывает молнию. Это открытие позволило создать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электроустановок.

На основе электростатики было создано множество изобретений:

• конденсатор;
• различные диэлектрики;
• антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
• Защитная одежда для работников электронной промышленности и многих других.

Закон Кулона является основой для работы ускорителей заряженных частиц, в частности Большого адронного коллайдера

Рисунок 4: Большой адронный коллайдер

Заряженные частицы ускоряются до скоростей, близких к скорости света, под действием электромагнитного поля, создаваемого катушками, расположенными вдоль дорожки. В результате столкновения происходит распад элементарных частиц, следы которого регистрируются электронными приборами. На основе этих изображений, используя закон Кулона, ученые делают выводы о структуре элементарных компонентов материи.

Зная, что электричество существует уже тысячи лет, человек начал изучать его с научной точки зрения только в 18 веке. (Интересно, что те же ученые того времени, которые работали над этой проблемой, выделили электричество в отдельную от физики науку и назвали себя “электриками”). Одним из первооткрывателей электричества был Шарль Огюстен де Кулон. После тщательного изучения сил взаимодействия между телами с различными электростатическими зарядами он сформулировал закон, который теперь носит его имя. В основном его эксперименты проходили следующим образом: различные электростатические заряды передавались двум маленьким шарикам, подвешенным на тончайших нитях, после чего суспензии с шариками сближались. Когда шарики поднесли близко друг к другу, они начали притягиваться друг к другу (с противоположными полярностями). Поляризация электрических зарядов) или отталкивания (в случае униполярных зарядов). В результате нити отклонялись от вертикали на достаточно большой угол, при котором силы электростатического притяжения или отталкивания уравновешивались силами земного притяжения. Измерив угол отклонения, зная массу сфер и длину подвесов, Кулон рассчитал силы электростатического взаимодействия при различных расстояниях сфер друг от друга и вывел из этих данных эмпирическую формулу:

Жизнь военного академика

Четырнадцатого июня 1736 года у Анри Кулона и Катрины Баже, живших в это время на юго-западе Франции в Ангулеме, родился сын. Мальчика назвали Шарлем Огюстеном. Вскоре после рождения ребёнка семья переехала в Париж. Здесь отцу семейства, бывшему военному, предстояло стать государственным чиновником.

Первоначальное образование Шарль получил в Колледже Четырёх Наций, созданном в честь объединения 4-х провинций под властью французского короля. Учебное заведение, которое построили в 1688 году по завещанию и на средства кардинала Мазарини, также носило имя церковного иерарха. В лучшей парижской школе того времени обучались выходцы из дворянских семей мужского пола от 10 до 15 лет. Приоритетной дисциплиной считалась математика. В число преподавателей входили астроном Ж. Делил, философ Ж. Даламбер, химик А. Лавуазье.

Мать Кулона мечтала о медицинской или юридической карьере для сына. Нежелание юноши подчиниться воле родительницы приводит к отъезду Шарля из Парижа на родину отца в город Монпелье. Здесь жил Анри после того, как разорился из-за неудачных спекуляций. Молодой человек становится членом городского Королевского научного общества, представив работы по математике и астрономии.

Чтобы иметь постоянный и надёжный источник доходов, по совету отца Шарль поступает в Мезьерскую школу военных инженеров, которую закончил в 1761 году. В чине старшего лейтенанта Кулон направляется на западное побережье Франции и начинает службу в Бресте, где занимается картографией и перестройкой береговых укреплений. С 1764 по 1772 год будущий исследователь возглавляет строительство форта Бурбон в колонии на острове Мартиника в Карибском море.

После возвращения на родину Кулон, получивший звание капитана, служит в гарнизонах французской армии — в Бушене, Шербуре, Рошфоре и Лилле. У инженера появляется свободное время, которое отдаётся научным изысканиям и написанию трактатов. Темами исследований становятся техническая механика, магнетизм, кручение материалов, трение качения и скольжения.

Осенью 1781 года офицера переводят по службе в Париж и назначают консультантом по военно-инженерным вопросам. Одновременно инженера избирают в столичную Академию наук. С 1784 года Шарль исполняет обязанности главного интенданта вод и фонтанов Королевства Франции. В это же время проводятся эксперименты по изучению электростатического притяжения. В 1791 году подполковник Кулон выходит в отставку.

С приходом к власти Наполеона Бонапарта Кулон возвращается к общественной работе в Академии наук. Многочисленные поездки по стране, связанные с системой народного просвещения, подрывают здоровье учёного. Шарль Огюстен де Кулон скончался в Париже 23 августа 1806 года.

История открытия

Закон Кулона назван в честь ученого, впервые сформулировавшего его, но аналогичные исследования проводились и в прошлом. Например, Кавендиш изучал взаимодействие между зарядами, но не смог сформулировать закон. Исследователь не опубликовал результаты своего исследования.

Взаимодействие между электрически заряженными частицами изучали также физики Рихман, Эпин, Бернулли, Пристли и другие. Все они внесли значительный вклад в изучение электричества, но никому до Кулона не удалось сформулировать и обосновать закон.

Для проведения исследований в этой области физики был создан специальный прибор — крутильные весы. Это связано с тем, что в то время еще не были изобретены приборы для изучения закономерностей, связанных с электрическими зарядами, без которых невозможно произвести точные измерения.

Чувствительность крутильных весов была очень высокой. С помощью прибора удалось определить силу взаимодействия электрических зарядов, величина которой равнялась одной миллиардной ньютона. Ось устройства вращалась под действием силы. Экспериментатор имел возможность измерить угол поворота, а значит и приложенную силу.

Взаимодействие между сферами измерялось следующим образом. Сообщив одному из них о неком заряде, ученый предположил, что при соприкосновении с другим шаром он расколется ровно пополам. Затем неподвижный шар был заземлен, в результате чего заряд на нем был нейтрализован. После его нового контакта с заряженным ему должна была уйти половина электрического заряда, то есть четверть первоначального.

Эксперимент проводился несколько раз. При этом заряд на сферах постепенно уменьшался описанным здесь образом. В каждом случае были произведены измерения угла поворота, и расчеты величины этой силы показали, что при уменьшении силы заряда вдвое сила взаимодействия уменьшается в четыре раза. Эта закономерность повторялась с максимально доступной точностью в каждой такой ситуации.

В результате анализа полученных измерений был выведен закон Кулона. Формула появилась в 1785 году. Несмотря на относительно высокую точность измерений, формула была проверена с точностью до нескольких процентов. Затем неоднократно производились более точные проверки, которые всегда подтверждали полученный закон.

Закон Амонтона-Кулона

Шарль Кулон известен не только своими открытиями в электростатике. Он также сформулировал закон, описывающий линейную связь между силой трения, и действием (нормальной реакцией), оказываемым на тело со стороны поверхности. Первичную формулировку предложил Гийом Амонтон ещё в 1699 году. Кулон же подтвердил закон и описал его математической формулой F=A+ μN, где А — условный показатель «сцепления» поверхности, по которой и производится скольжение (трение), N — сила нормальной реакции, μ — коэффициент трения поверхностей. А согласно 3 закону Ньютона, сила Амонтона-Кулона — взаимодействующая. То есть она актуальна и в отношении статического, и динамичного тела. И действие оказывается одновременно также на саму поверхность. Данный закон активно используется при производстве смазочных материалов. С его помощью можно также рассчитать условную устойчивость и эксплуатационный ресурс материалов. Кулон, в свою очередь, только сформулировал математическое описание открытия Амонтона, без определения статических индексов. Итого, закон Кулона — это фундаментная сила в электростатике в целом. И на её основе было сделано множество новых открытий, связанных с электромагнитным воздействием. Вся современная электроника, компоненты печатных плат — всё это прямо связано с законом Кулона.

Cтепень точности закона Кулона

Закон Кулона — экспериментально установленный факт. Его справедливость неоднократно подтверждалась всё более точными экспериментами. Одним из направлений таких экспериментов является проверка того, отличается ли показатель степени r в законе от 2. Для поиска этого отличия используется тот факт, что если степень точно равна двум, то поле внутри полости в проводнике отсутствует, какова бы ни была форма полости или проводника.

Эксперименты, проведённые в 1971 г. в США Э. Р. Уильямсом, Д. Е. Фоллером и Г. А. Хиллом, показали, что показатель степени в законе Кулона равен 2 с точностью до .

Для проверки точности закона Кулона на внутриатомных расстояниях У. Ю. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 г. были использованы измерения относительного расположения уровней энергии водорода. Было установлено, что и на расстояниях порядка атомных 10−8 см, показатель степени в законе Кулона отличается от 2 не более чем на 10−9.

Коэффициент в законе Кулона остается постоянным с точностью до 15·10−6.

Поправки к закону Кулона в квантовой электродинамике

На небольших расстояниях (порядка комптоновской длины волны электрона, ≈3.86·10−13 м, где  — масса электрона,  — постоянная Планка,  — скорость света) становятся существенными нелинейные эффекты квантовой электродинамики: на обмен виртуальными фотонами накладывается генерация виртуальных электрон-позитронных (а также мюон-антимюонных и таон-антитаонных) пар, а также уменьшается влияние экранирования (см. перенормировка). Оба эффекта ведут к появлению экспоненциально убывающих членов порядка в выражении для потенциальной энергии взаимодействия зарядов и, как результат, к увеличению силы взаимодействия по сравнению с вычисляемой по закону Кулона. Например, выражение для потенциала точечного заряда в системе СГС, с учётом радиационных поправок первого порядка принимает вид:

где  — комптоновская длина волны электрона,  — постоянная тонкой структуры и . На расстояниях порядка ~ 10−18 м, где  — масса W-бозона, в игру вступают уже электрослабые эффекты.

В сильных внешних электромагнитных полях, составляющих заметную долю от поля пробоя вакуума (порядка ~1018 В/м или ~109 Тл, такие поля наблюдаются, например, вблизи некоторых типов нейтронных звёзд, а именно магнитаров) закон Кулона также нарушается в силу дельбрюковского рассеяния обменных фотонов на фотонах внешнего поля и других, более сложных нелинейных эффектов. Это явление уменьшает кулоновскую силу не только в микро- но и в макромасштабах, в частности, в сильном магнитном поле кулоновский потенциал падает не обратно пропорционально расстоянию, а экспоненциально.

Закон Кулона и поляризация вакуума

Явление поляризации вакуума в квантовой электродинамике заключается в образовании виртуальных электронно-позитронных пар. Облако электронно-позитронных пар экранирует электрический заряд электрона. Экранировка растет с ростом расстояния от электрона, в результате эффективный электрический заряд электрона является убывающей функцией расстояния . Эффективный потенциал, создаваемый электроном с электрическим зарядом , можно описать зависимостью вида . Эффективный заряд зависит от расстояния по логарифмическому закону:

где,

— т. н. постоянная тонкой структуры ≈7.3·10−3;

 — т. н. классический радиус электрона ≈2.8·10−13 см.

Эффект Юлинга

Явление отклонения электростатического потенциала точечных зарядов в вакууме от значения закона Кулона известно как эффект Юлинга, который впервые вычислил отклонения от закона Кулона для атома водорода. Эффект Юлинга даёт поправку к лэмбовскому сдвигу 27 мггц.

В сильном электромагнитном поле вблизи сверхтяжелых ядер с зарядом осуществляется перестройка вакуума, аналогичная обычному фазовому переходу. Это приводит к поправкам к закону Кулона.

Крутильные весы Шарля Кулона

Это прибор, разработанный Кулоном в 1777 году, помог вывести зависимость силы, названной в последствии в его честь. С его помощью изучается взаимодействие точечных зарядов, а также магнитных полюсов.

Крутильные весы имеют небольшую шёлковую нить, расположенную в вертикальной плоскости, на которой висит уравновешенный рычаг. На концах рычага расположены точечные заряды.

Под действием внешних сил рычаг начинает совершать движения по горизонтали. Рычаг будет перемещаться в плоскости до тех пор, пока его не уравновесит сила упругости нити.

В процессе перемещений рычаг отклоняется от вертикальной оси на определённый угол. Его принимают за d и называют углом поворота. Зная величину данного параметра, можно найти крутящий момент возникающих сил.

Крутильные весы Шарля Кулона выглядят следующим образом:

Видео:Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. 8 класс.Скачать

Закон Кулона простым языком

С помощью данной закономерности можно описать механизм взаимодействия тел, обладающих зарядом. Закон Кулона является фундаментальным, то есть обладает экспериментальным подтверждением и не был установлен на основе какого-либо природного закона. Формулировка утверждения справедлива для точечных зарядов в вакуумной среде, которые неподвижны. В реальном мире подобная ситуация невозможна. Однако таковыми можно считать заряды, обладающие размерами, существенно меньшими по сравнению с расстоянием между ними. Сила взаимодействия в воздухе практически соизмерима с силой взаимодействия в вакууме и отличается лишь на одну тысячную.

Электрическим зарядом называют физическую величину, определяющуюся свойством частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Описание механизма взаимного воздействия неподвижных зарядов друг на друга было представлено физиком из Франции Ш. Кулоном в 1785 году. В подтверждение закона были проведены опыты по измерению взаимодействия между шарами с размерами, которые значительно меньше, чем расстояние, на котором они расположены. Подобные тела получили название точечных зарядов. По итогам многочисленных опытов Кулон вывел закон.

Закон Кулона гласит, что сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов, расположенных неподвижно, в вакуумной среде прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Вектор силы ориентирован вдоль прямой, соединяющей заряды. Данная сила является силой притяжения в случае, когда заряды разноименные, либо силой отталкивания, если заряды одноименные.

Модули зарядов обозначают, как \(|q_1|\) и \(|q_2|\). В этом случае Закон Кулона можно представить в виде уравнения:

\(F=k\times \frac{\left|q1 \right|\times \left|q2 \right|}{r^{2}}\)

Коэффициент пропорциональности k, согласно закону Кулона, определяется выбором системы единиц.

\(k=\frac{1}{4\pi \varepsilon _{0}}\)

Полная формула закона Кулона обладает следующим видом:

\(F=\frac{\left|q1 \right|\times \left|q2 \right|}{4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon r^{2}}\)

где \(F\) — Сила Кулона,

\(q_1\) и \(q_2\) являются электрическими зарядами тел;

r — расстояние между зарядами;

\(\varepsilon _{0}\) — электрическая постоянная, равная \(8,85*10^{-12}\);

\(\varepsilon \)  — диэлектрическая проницаемость среды, равная 9*109;

k — коэффициент пропорциональности в законе Кулона.

Силы взаимодействия определяются третьим законом Ньютона:

\(\vec{F}_{12}=\vec{F}_{21}\)

Данные силы представляют собой силы отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках. Для обозначения электрических зарядов используют буквы q и Q. Благодаря имеющимся фактам, полученным в результате экспериментов, можно сделать следующие выводы:

1. Имеется два типа электрических зарядов, которые условно обозначают положительными и отрицательными.
2. Допускается передача заряда от одного объекта к другому, так как в отличие от массы, не принадлежат к категории неотъемлемых характеристик тела, поэтому один и тот же объект при разных обстоятельствах может обладать как положительным, так и отрицательным зарядом.
3. Одноименные заряды будут отталкиваться, а разноименные — притягиваться, что подтверждает принципиальную разницу между электромагнитными и гравитационными силами, ведь, благодаря гравитации тела в любом случае притягиваются друг к другу.

Электрическое или кулоновское взаимодействие называют взаимодействием неподвижных электрических зарядов. Существует специальный раздел в электродинамике под названием электростатика, целью которого является изучение кулоновского взаимодействия. Справедливое утверждение закона Кулона распространяется на точечные заряженные тела. В случае когда размеры зарядов намного меньше, чем расстояние между ними, закон Кулона действует на практике. Для его выполнения необходимо соблюдать несколько важных условий:

• точечность зарядов;
• неподвижность зарядов;
• взаимодействие зарядов в вакууме.

Кулоном называют заряд, который проходит за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер.

Единица силы тока — Ампер — относится к основным единицам измерения таким, как длина, время, масса. В Международной системе СИ принято использовать в качестве единицы заряда кулон (Кл).

Электрическая емкость. Конденсатор

Электрическая емкость (электроемкость) – скалярная физическая величина, характеризующая способность уединенного проводника удерживать электрический заряд.

Обозначение – ​\( C \)​, единица измерения в СИ – фарад (Ф).

Уединенный проводник – это проводник, удаленный от других проводников и заряженных тел.

Фарад – электроемкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл:

Формула для вычисления электроемкости:

где ​\( q \)​ – заряд проводника, ​\( \varphi \)​ – его потенциал.

Электроемкость зависит от его линейных размеров и геометрической формы. Электроемкость не зависит от материала проводника и его агрегатного состояния. Электроемкость проводника прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.

Конденсатор – это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники называют обкладками конденсатора. Заряды обкладок конденсатора равны по величине и противоположны по знаку заряда. Электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора. Конденсаторы используют для накопления электрических зарядов.

Электроемкость конденсатора рассчитывается по формуле:

где ​\( q \)​ – модуль заряда одной из обкладок, ​\( U \)​ – разность потенциалов между обкладками.

Электроемкость конденсатора зависит от линейных размеров и геометрической формы и расстояния между проводниками. Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между проводниками.

Плоский конденсатор представляет две параллельные пластины площадью ​\( S \)​, находящиеся на расстоянии ​\( d \)​ друг от друга.

Электроемкость плоского конденсатора:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками,\( \varepsilon_0 \) – электрическая постоянная.

На электрической схеме конденсатор обозначается:

Виды конденсаторов:

• по типу диэлектрика – воздушный, бумажный и т. д.;
• по форме – плоский, цилиндрический, сферический;
• по электроемкости – постоянной и переменной емкости.

Конденсаторы можно соединять между собой.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. Напряжения конденсаторов равны:

Общая емкость:

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов соединяют их разноименно заряженные обкладки.

Заряды конденсаторов при таком соединении равны:

Общее напряжение:

Величина, обратная общей емкости:

При таком соединении общая емкость всегда меньше емкостей отдельных конденсаторов.

Важно! Если конденсатор подключен к источнику тока, то разность потенциалов между его обкладками не изменяется при изменении электроемкости и равна напряжению источника. Если конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов и отключен от источника тока, то его заряд не изменяется при изменении электроемкости. Применение конденсаторов Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока

Применение конденсаторов Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.

Крутильные весы Шарля Кулона

В 1784 году Шарль Кулон придумал прибор, измеряющий силу отталкивания или притягивания заряженных тел.Рассмотрим принцип работы устройства подробнее.Прибор состоит из подвижной и неподвижной части. Подвижная часть состоит из неэлектропроводного рычага, на котором размещены пара одинаковых металлических шаров, для лучшего объяснения покрашенных в красный цвет.

Рычаг подвешен на нитке. Неподвижная часть состоит из третьего шара, покрашенного в синий цвет.

Прибор для измерения электрической силы

Если дотронутся до синего шара янтарем, ранее потертым о шерсть, то электроны с янтаря, перейдут на металлическую поверхность синего шара, и ближайший красный шар оттолкнется от него, и рычаг совершит вращающее движение. Он будет продолжать вращаться, пока сила отталкивания не уравновесится силой закручивания нити.

Эту силу можно количественно измерить с помощью шкалы. При изучении этих зависимостей ученым был описан закон, впоследствии названным его именем. Вся эта система помещена в стеклянную колбу для визуальных наблюдений и исключения искажений за счет движения окружающего воздуха.

Формула закона Кулона

Согласно его закону сила между двумя электрически заряженными частицами прямо пропорциональна величине их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Ниже мы представляем математическая формула описывается законом Кулона:

F – электростатическая сила (Н)

k – диэлектрическая проницаемость вакуума (Нм² / C²)

Q – электрический заряд (Кл)

какие – испытательный электрический заряд (C)

d – расстояние между зарядами (м)

В приведенной выше формуле k – константа пропорциональности, называемая постоянной электростатического вакуума, ее модуль приблизительно равен 9,0.109 Нм² / C². Кроме того, мы знаем, что множество сигналравныйотталкивать в то время как множество сигналыпротивоположности притягиваются, как показано на рисунке ниже:

Заряды одинаковых знаков отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются.

Смотри тоже: Что такое электричество?

Стоит отметить, что даже если нагрузки имеют разные модули, сила притяжения между ними одинакова, поскольку, согласно 3-й закон Ньютона – закон действие а также реакция – сила, которую обвинения создают друг против друга, равный в модуль. Они находятся в одно и тоженаправлениеоднако в чувства противоположности.

Волосы женщины на фигуре заряжены зарядом одного знака и поэтому отталкиваются друг от друга.

Важным свойством электрической силы является то, что она Величие вектора, то есть его можно записать с помощью векторов. Векторы ориентированные прямые это настоящее модуль, направление а также смысл. Следовательно, в случаях, когда два или более вектора электрической силы не параллельны или противоположны, необходимо, чтобы правила векторная сумма, чтобы вычислить чистую электрическую силу, действующую на тело или частицу.

Смотри тоже: Что такое электрическое поле?