Exemplu de lege a lui Coulomb

Legea lui Coulum a fost produsă mai întâi prin crearea echilibrului de Coulum care a fost creat de omul de știință francez Charles Augustin Coulomb, a inventat o balanță pentru a studia torsiunea fibrelor și a firelor, mai târziu a fost folosită aceeași balanță apoi pentru a reproduce într-un spațiu mic, legile atracției și sarcinii statice pe care Isaac Newton și Johannes Kepler le-au enunțat cu privire la relația forțelor gravitaționale dintre planete

Balanta de torsiune este formata din doi cilindri de sticla, unul lung si subtire, la capatul carora este suspendata o tija de argint. Pe cealaltă parte a tijei, care se află pe un cilindru mai lat și cu o scară numerică, se află o altă tijă orizontală, la capătul căreia a pus o minge de măduvă de soc. În partea de sus a scalei, există o gaură prin care se introduce o altă sferă de măduvă de soc atașată de o tijă.

Când ambele tije sunt aduse împreună fără sarcini statice, nu există forțe de atracție sau de repulsie și rămân în repaus. Când le este aplicată o sarcină de către un electrod, ei se vor respinge unul pe celălalt dacă sunt de semne egale sau se vor apropia mai mult dacă sunt de semne opuse.

Acest experiment a fost apoi efectuat pe sfere suspendate în vid. Aceste experimente l-au determinat să exprime legea sarcinilor electrostatice, mai cunoscută ca Legea Coulomb, care spune: „Forța pe care două sarcini electrice o exercită una asupra celeilalte 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 cu o anumită forță, care este inițial calculată prin produsul dintre sarcina 1 și sarcina 2 (q₁ De ce₂). Și această forță de repulsie 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 invers proporțional cu pătratul distanței, adică dacă, de exemplu, sarcinile rămân egală și distanța inițială se dublează, atunci vom avea 2 X 2 = 4 și relația sa inversă indică faptul că forța va fi ¼ din forța cu distanța 1.

Acest lucru este explicat cu următoarele formule:

F = q₁* ce₂ pe o distanta constanta.
F = q₁* ce₂/ d² pentru o distanta variabila.

În plus, este necesar să se aplice o constantă (k), care ne va permite să determinăm forța care acționează întotdeauna în raport cu sarcina. Această constantă este determinată de forța de respingere, 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 de mărimi fizice, folosim diverse unități de măsură. Pentru aceste calcule, unitățile sunt următoarele:

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

Sarcină (q1, q2): Coulumb (1 Coulomb este egal cu 6,28 X 10¹⁸ electroni)
Distanța (d): metru (unitate de măsură în sistemul metric)

K: Constanta dielectrică este determinată de forța de respingere electrostatică în două sarcini de aceeași mărime, care în vid este de 8,988 X 10⁹ Newton, pentru fiecare metru pătrat și împărțit la pătratul sarcinii. În scopuri practice, valoarea este rotunjită la 9 X 10⁹ Nm²/ q². Atunci vom avea următoarele formule:

F = (k) q₁ De ce₂ Pentru distante fixe.
F = (k) q₁ De ce₂ / d² pentru distante variabile.

Dacă dezvoltăm această ultimă formulă, vom avea:

F = (9X10⁹ m² / q²) De ce₁ De ce₂ / d²

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

F = (k/e) q₁ De ce₂ Pentru distante fixe.
F = (k/e) q₁ De ce₂ / d² pentru distante variabile.

Constanta dielectrica a unor substante:

Gol: 1
Aer: 1
Ceară: 1,8
Apa: 80
Alcool: 15
Hârtie: 1.5
Parafină: 2.1

4 exemple de legea 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 distanta de 40 de centimetri, in vid.

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

Exemplul 2

Calculați cu aceleași date din exemplul anterior, forța cu care sarcinile 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 De ce₂ = (2,5 X 10^-6) (2,5 X 10^-6) = 6,25 X 10^-12
d² = 0,16 m
ce₁ De ce₂ / d^{2 =}15 X 10^-8/0,16 = 39,0625 X 10^-12
k x (q₁ De ce₂ / 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 repulsie la distanță de două ori mai mare, 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 De ce₂ = (2,5 X 10^-6) (2,5 X 10^-6) = 6,25 X 10^-12
d² = 0,64 m
ce₁ De ce₂ / d^{2 =}15 X 10^-8/0,16 = 9,765625 X 10^-12
k x (q₁ De ce₂ / 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 De ce₂ = (2,5 X 10^-6) (2,5 X 10^-6) = 6,25 X 10^-12
d² = 0,64 m
ce₁ De ce₂ / 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 De ce₂ / d²) = (6 X 10⁸) (9,765625 X 10^-12) = 0,00586 N (5,86 X 10^-3 N)