Exemplul legii lui Coulomb

Legea lui Coulum a fost produsă mai întâi prin crearea echilibrului Coulum care a fost creat de omul de știință francez Charles Augustin Coulomb, a inventat un echilibru pentru a studia torsiunea fibrelor și a firelor, ulterior a fost folosit același echilibru apoi pentru a reproduce într-un spațiu mic, legile atracției și sarcinii statice pe care Isaac Newton și Johannes Kepler le-au enunțat asupra relației forțelor gravitaționale dintre planete

Bilanțul de torsiune este format din doi cilindri de sticlă, unul lung și subțire, la capătul căruia este suspendată o tijă de argint. Pe cealaltă parte a tijei, care este pe un cilindru mai larg și cu o scară numerică, există o altă tijă orizontală, la capătul căreia a așezat o minge de măduvă bătrână. În partea de sus a cântarului, există o gaură prin care se introduce o altă sferă de miez de soc care este atașat la o tijă.

Când ambele tije sunt reunite fără sarcini statice, nu există forțe de atracție sau respingere și rămân în repaus. Când li se aplică o sarcină de către un electrod, aceștia se vor respinge reciproc dacă au semne egale sau se vor apropia dacă sunt cu semne opuse.

Acest experiment a fost apoi efectuat pe sferele suspendate în vid. Aceste experimente l-au determinat să exprime legea sarcinilor electrostatice, mai bine cunoscută sub numele de Legea Coulomb, care spune: „Forța pe care o exercită reciproc două sarcini electrice este direct proporțională cu produs al sarcinilor lor electrostatice și invers proporțional cu pătratul distanței pe care A opri."

Aceasta înseamnă că două sarcini electrostatice se vor respinge reciproc cu o anumită forță, care este calculată inițial de produsul sarcinii 1 și sarcinii 2 (q₁ pentru că₂). Și această forță de respingere va varia direct în funcție de creșterea sau scăderea ambelor sau a uneia dintre sarcini, având în vedere că distanța dintre sferele încărcate este constantă.

Când distanța variază, forța va varia în proporție inversă cu pătratul distanței, adică dacă, de exemplu, sarcinile rămân egal și distanța inițială este dublată, atunci vom avea 2 X 2 = 4 și relația sa inversă indică faptul că forța va fi ¼ a forței cu distanța 1.

Acest lucru este explicat cu următoarele formule:

F = q₁* ce₂ pentru o distanță constantă.
F = q₁* ce₂/ d² pentru o distanță variabilă.

În plus, este necesară aplicarea unei constante (k), care ne va permite să determinăm forța care acționează întotdeauna în raport cu sarcina. Această constantă este determinată de forța respingătoare, distanța, sarcina și mediul care împarte sarcinile, care poate avea diferite grade de conductivitate datorită conductivității și densității sale, care se numește coeficient dielectric.

UNITATI DE MASURA. Ca în toate calculele mărimilor fizice, folosim diverse unități de măsură. Pentru aceste calcule, unitățile sunt după cum urmează:

F: Newton (1 newton este egal cu forța necesară pentru a mișca 1 kilogram cu 1 metru în fiecare secundă)

Încărcare (q1, q2): Coulumb (1 Coulomb este 6,28 X 10¹⁸ electroni)
Distanță (d): contor (unitate de măsură în sistemul metric)

K: Constanta dielectrică este determinată de forța de respingere electrostatică în două sarcini de aceeași magnitudine, care în vid este 8.988 X 10⁹ Newton, pentru fiecare metru pătrat și împărțit la pătratul încărcăturii. În scopuri practice, valoarea este rotunjită la 9 X 10⁹ Nm²/ q². Apoi vom avea următoarele formule:

F = (k) q₁ pentru că₂ Pentru distanțe fixe.
F = (k) q₁ pentru că₂ / d² pentru distanțe variabile.

Dacă dezvoltăm această ultimă formulă, vom avea:

F = (9X10⁹ m² / q²) Pentru că₁ pentru că₂ / d²

Această formulă este valabilă pentru Vid. În cazul în care sarcinile se află într-un mediu diferit, atunci constanta va fi împărțită la coeficientul dielectric al mediului. Formulele vor fi apoi următoarele:

F = (k / e) q₁ pentru că₂ Pentru distanțe fixe.
F = (k / e) q₁ pentru că₂ / d² pentru distanțe variabile.

Constanta dielectrică a unor substanțe:

Gol: 1
Aer: 1
Ceara: 1,8
Apă: 80
Alcool: 15
Hârtie: 1.5
Parafină: 2.1

4 exemple ale legii lui Coulomb:

Exemplul 1.

Calculați forța cu care se resping două sfere cu sarcini de 3 X 10^-5 Coulomb și 5 X 10^-5, la o distanță de 40 de centimetri, în vid.

F =?
ce₁ = 1 X 10^-5
ce₂ = 1 X 10^-5
d = .4 metri
k = 9 X 10⁹ m²/ d²
ce₁ pentru că₂ = (3 X 10^-3) (5 X 10^-5) = 1 X 10^-10
d² = 0,16 m
ce₁ pentru că₂ / d^{2 =}1 X 10^-8/0,16 = 6,25 X 10^-10
k x (q₁ pentru că₂ / d²) = (9 X 10⁹) (6.25/10-¹⁰) = 5.625 N.

Exemplul 2

Calculați cu aceleași date din exemplul anterior, forța cu care încărcăturile sunt respinse pe oră cu sarcini egale de 2,5 X 10^-6 Coulomb.

F =?
ce₁ = 2,5 X 10^-6
ce₂ = 2,5 X 10^-6
d = .4 metri
k = 9 X 10⁹ m²/ d²
ce₁ pentru că₂ = (2,5 X 10^-6) (2,5 X 10^-6) = 6,25 X 10^-12
d² = 0,16 m
ce₁ pentru că₂ / d^{2 =}15 X 10^-8/0,16 = 39,0625 X 10^-12
k x (q₁ pentru că₂ / d²) = (9 X 10⁹) (39,0625 X 10^-12) = 0,315 N. (31,5 X 10^-2 N)

Exemplul 3

Folosind aceleași date ca în exemplul 2, calculați forța de respingere la distanța de două ori, adică la 80 de centimetri.

F =?
ce₁ = 2,5 X 10^-6
ce₂ = 2,5 X 10^-6
d = .8 metri
k = 9 X 10⁹ m²/ d²
ce₁ pentru că₂ = (2,5 X 10^-6) (2,5 X 10^-6) = 6,25 X 10^-12
d² = 0,64 m
ce₁ pentru că₂ / d^{2 =}15 X 10^-8/0,16 = 9,765625 X 10^-12
k x (q₁ pentru că₂ / d²) = (9 X 10⁹) (9.765625 X 10^-12) = 0,0878 N. (8,78 X10^-2 N)

Exemplul 4

Calculați exemplul 3, într-un mediu dielectric diferit, acum în alcool.

F =?
ce₁ = 2,5 X 10^-6
ce₂ = 2,5 X 10^-6
d = .8 metri
k = 9 X 10⁹ m²/ d²
e = 15
ce₁ pentru că₂ = (2,5 X 10^-6) (2,5 X 10^-6) = 6,25 X 10^-12
d² = 0,64 m
ce₁ pentru că₂ / d^{2 =}15 X 10^-8/0,16 = 9,765625 X 10^-12
k / e = (9 X 10⁹) / 15 = 6 X 10⁸
k X (q₁ pentru că₂ / d²) = (6 X 10⁸) (9.765625 X 10^-12) = 0,00586 N (5,86 X 10^-3 N)