Sähkövaraus. Sen diskreetti

Sähkövaraus. Sen diskreetti. Sähkövarauksen säilymislaki. Coulombin laki vektori- ja skalaarimuodossa.

Sähkövaraus on fysikaalinen suure, joka kuvaa hiukkasten tai kappaleiden kykyä päästä sähkömagneettiseen voimavuorovaikutukseen. Sähkövarausta merkitään yleensä kirjaimilla q tai Q. Sähkövarauksia on kahdenlaisia, joita kutsutaan perinteisesti positiivisiksi ja negatiivisiksi. Varaukset voidaan siirtää (esimerkiksi suoralla kosketuksella) kehosta toiseen. Toisin kuin kehon massa, sähkövaraus ei ole tietyn kehon kiinteä ominaisuus. Samalla keholla eri olosuhteissa voi olla erilainen varaus. Kuten varaukset hylkivät, toisin kuin varaukset houkuttelevat. Elektroni ja protoni ovat alkuperäisen negatiivisen ja positiivisen varauksen kantajia, vastaavasti. Sähkövarauksen yksikkö on kuloni (C) - sähkövaraus, joka kulkee johtimen poikkileikkauksen läpi virralla 1 A 1 sekunnissa.

Sähkövaraus on diskreetti, eli minkä tahansa kappaleen varaus on alkeissähkövarauksen e() kokonaislukukerrannainen.

Varauksen säilymisen laki: minkä tahansa suljetun järjestelmän (järjestelmän, joka ei vaihda varauksia ulkoisten kappaleiden kanssa) sähkövarausten algebrallinen summa pysyy muuttumattomana: q1 + q2 + q3 + ... +qn = vakio.

Coulombin laki: Kahden pisteen sähkövarauksen välinen vuorovaikutusvoima on verrannollinen näiden varausten suuruuteen ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.

(skalaarimuodossa)

Missä F - Coulombin voima, q1 ja q2 - Kappaleen sähkövaraus, r - Varausten välinen etäisyys, e0 = 8,85*10^(-12) - Sähkövakio, e - Väliaineen dielektrisyysvakio, k = 9*10^ 9 - Suhteellisuustekijä.

Coulombin lain täyttyminen edellyttää kolmea ehtoa:

Ehto 1: Varausten terävyys - eli varattujen kappaleiden välinen etäisyys on paljon suurempi kuin niiden koko

Ehto 2: Varausten liikkumattomuus. Muuten tulevat voimaan lisävaikutukset: liikkuvan varauksen magneettikenttä ja vastaava Lorentzin lisävoima, joka vaikuttaa toiseen liikkuvaan varaukseen

Ehto 3: Varausten vuorovaikutus tyhjiössä

Vektorimuodossa laki on kirjoitettu näin:

Missä on voima, jolla varaus 1 vaikuttaa varaukseen 2; q1, q2 - varausten suuruus; - sädevektori (vektori, joka on suunnattu varauksesta 1 varaukseen 2 ja on absoluuttisesti yhtä suuri kuin varausten välinen etäisyys - ); k - suhteellisuuskerroin.

Sähköstaattisen kentän voimakkuus. Pistevarauksen sähköstaattisen kentänvoimakkuuden lauseke vektori- ja skalaarimuodossa. Sähkökenttä tyhjiössä ja aineessa. Dielektrisyysvakio.

Sähköstaattinen kentänvoimakkuus on kentälle ominaista vektorivoimaa ja se on numeerisesti yhtä suuri kuin voima, jolla kenttä vaikuttaa kentän tietyssä kohdassa syötettyyn yksikkötestivaraukseen:

Jännitysyksikkö on 1 N/C - tämä on sähköstaattisen kentän intensiteetti, joka vaikuttaa 1 C:n varaukseen 1 N:n voimalla. Jännitys ilmaistaan ​​myös yksikössä V/m.

Kuten kaavasta ja Coulombin laista seuraa, pistevarauksen kentänvoimakkuus tyhjiössä

tai

Vektorin E suunta on sama kuin positiiviseen varaukseen vaikuttavan voiman suunta. Jos kenttä syntyy positiivisella varauksella, vektori E suuntautuu sädevektoria pitkin varauksesta ulkoavaruuteen (testipositiivisen varauksen hylkiminen); jos kenttä syntyy negatiivisella varauksella, niin vektori E on suunnattu varausta kohti.

Että. jännitys on sähköstaattisen kentän ominaisvoima.

Voit esittää sähköstaattisen kentän graafisesti käyttämällä vektorin intensiteettiviivoja ( sähkölinjat). Kenttäviivojen tiheyttä voidaan käyttää jännityksen suuruuden arvioimiseen.

Jos kenttä syntyy varausjärjestelmällä, niin kentän tiettyyn pisteeseen kohdistettuun testivaraukseen vaikuttava tuloksena oleva voima on yhtä suuri kuin kunkin pistevarauksen testivaraukseen vaikuttavien voimien geometrinen summa. Siksi intensiteetti kentän tietyssä pisteessä on yhtä suuri kuin:

Tämä suhde ilmaisee kentän superpositioperiaate: varausjärjestelmän synnyttämän kentän voimakkuus on yhtä suuri kuin kunkin varauksen erikseen tietyssä kohdassa luomien kenttävoimakkuuksien geometrinen summa.

Sähkövirta tyhjiössä voidaan luoda minkä tahansa varautuneiden hiukkasten (elektronien, ionien) järjestetyllä liikkeellä.

Dielektrisyysvakio- väliaineen dielektrisiä ominaisuuksia kuvaava suure - sen vaste sähkökenttään.

Useimmissa ei kovin vahvoissa kentissä olevissa dielektrikoissa dielektrisyysvakio ei riipu kentästä E. Voimakkaissa sähkökentissä (verrattavissa atomin sisäisiin kenttiin) ja joissakin tavallisten kenttien dielektrikoissa D:n riippuvuus E:stä on epälineaarinen. Lisäksi dielektrisyysvakio osoittaa, kuinka monta kertaa sähkövarausten välinen vuorovaikutusvoima F tietyssä väliaineessa on pienempi kuin niiden vuorovaikutusvoima Fo tyhjiössä

Aineen suhteellinen dielektrisyysvakio voidaan määrittää vertaamalla testikondensaattorin kapasitanssia tiettyyn dielektriseen (Cx) ja saman kondensaattorin kapasitanssia tyhjiössä (Co):

Superpositioperiaate kenttien perusominaisuudena. Yleiset lausekkeet kentän voimakkuudelle ja potentiaalille, joka on luotu pisteessä, jossa on sädevektori, pistevarausten järjestelmällä, jotka sijaitsevat pisteissä, joissa on koordinaatit (katso kappale 4)

Jos tarkastellaan superpositioperiaatetta yleisimmässä mielessä, niin sen mukaan hiukkaseen vaikuttavien ulkoisten voimien vaikutuksen summa on kunkin niistä yksittäisten arvojen summa. Tämä periaate koskee erilaisia ​​lineaarisia järjestelmiä, ts. järjestelmät, joiden käyttäytymistä voidaan kuvata lineaarisilla suhteilla. Esimerkkinä voisi olla yksinkertainen tilanne, jossa lineaarinen aalto etenee tietyssä väliaineessa, jolloin sen ominaisuudet säilyvät jopa itse aallosta aiheutuvien häiriöiden vaikutuksesta. Nämä ominaisuudet määritellään kunkin harmonisen komponentin vaikutusten määrättynä summana.

Superpositioperiaate voi ottaa muita formulaatioita, jotka ovat täysin vastaavia kuin edellä:

· Kahden hiukkasen välinen vuorovaikutus ei muutu, kun lisätään kolmas hiukkanen, joka myös on vuorovaikutuksessa kahden ensimmäisen kanssa.

· Kaikkien hiukkasten vuorovaikutusenergia monihiukkasjärjestelmässä on yksinkertaisesti kaikkien mahdollisten hiukkasparien välisten parivuorovaikutusten energioiden summa. Järjestelmässä ei ole monen hiukkasen vuorovaikutusta.

· Monihiukkasjärjestelmän käyttäytymistä kuvaavat yhtälöt ovat hiukkasten lukumäärän suhteen lineaarisia.

6 Jännitevektorin kierto on sähkövoimien tekemä työ, kun yksittäinen positiivinen varaus siirretään suljettua polkua L pitkin

Koska sähköstaattisten kenttävoimien työ suljetussa silmukassa on nolla (potentiaalisten kenttävoimien työ), siksi sähköstaattisen kentän voimakkuuden kierto suljetussa silmukassa on nolla.

Kenttäpotentiaali. Minkä tahansa sähköstaattisen kentän työ siirrettäessä siinä olevaa varautunutta kappaletta pisteestä toiseen ei myöskään riipu liikeradan muodosta, kuten tasaisen kentän työ. Suljetulla liikeradalla sähköstaattisen kentän työ on aina nolla. Kenttiä, joilla on tämä ominaisuus, kutsutaan potentiaalisiksi. Erityisesti pistevarauksen sähköstaattinen kenttä on potentiaalinen luonne.
Potentiaalikentän työ voidaan ilmaista potentiaalienergian muutoksena. Kaava pätee kaikille sähköstaattisille kentille.

7-11Jos intensiteetin tasaisen sähkökentän kenttäviivat läpäisevät tietyn alueen S, niin intensiteettivektorin vuo (aikaisemmin kutsuttiin alueen läpi kulkevien kenttäviivojen lukumääräksi) määritetään kaavalla:

missä En on vektorin ja tietyn alueen normaalin tulo (kuva 2.5).

Riisi. 2.5

Pinnan S läpi kulkevien voimalinjojen kokonaismäärää kutsutaan tämän pinnan läpi kulkevan FU-intensiteettivektorin vuoksi.

Vektorimuodossa voimme kirjoittaa kahden vektorin skalaaritulon, jossa vektori .

Siten vektorivuo on skalaari, joka kulman α arvosta riippuen voi olla joko positiivinen tai negatiivinen.

Katsotaanpa kuvissa 2.6 ja 2.7 esitettyjä esimerkkejä.

	Riisi. 2.6	Riisi. 2.7

Kuvassa 2.6 pintaa A1 ympäröi positiivinen varaus ja virtaus on tässä suunnattu ulospäin, ts. Pinta A2– on negatiivisen varauksen ympäröimä, tässä se on suunnattu sisäänpäin. Kokonaisvirta pinnan A läpi on nolla.

Kuvassa 2.7 vuo ei ole nolla, jos pinnan sisällä oleva kokonaisvaraus ei ole nolla. Tässä kokoonpanossa virtaus pinnan A läpi on negatiivinen (laske kenttäviivojen määrä).

Siten jännitevektorin vuo riippuu varauksesta. Tämä on Ostrogradsky-Gaussin lauseen tarkoitus.

Gaussin lause

Kokeellisesti vahvistettu Coulombin laki ja superpositioperiaate mahdollistavat tietyn varausjärjestelmän sähköstaattisen kentän täydellisen kuvaamisen tyhjiössä. Sähköstaattisen kentän ominaisuudet voidaan kuitenkin ilmaista toisessa, yleisemmässä muodossa turvautumatta ajatukseen pistevarauksen Coulombin kentästä.

Otetaan käyttöön uusi sähkökenttää kuvaava fysikaalinen suure – sähkökentän voimakkuusvektorin virtaus Φ. Olkoon tilassa, jossa sähkökenttä syntyy, jokin melko pieni alue ΔS. Vektorin moduulin tuloa alueella ΔS sekä vektorin ja paikan normaalin välisen kulman α kosinilla kutsutaan intensiteettivektorin alkeisvuoksi paikan ΔS läpi (kuva 1.3.1):

Tarkastellaan nyt jotain mielivaltaista suljettua pintaa S. Jos jaamme tämän pinnan pieniksi alueiksi ΔSi, määritämme kentän alkeisvirrat ΔΦi näiden pienten alueiden läpi ja laskemme ne sitten yhteen, niin tuloksena saadaan kentän virtaus Φ. vektori suljetun pinnan S läpi (kuva 1.3.2 ):

Gaussin lause sanoo:

Sähköstaattisen kentänvoimakkuusvektorin virtaus mielivaltaisen suljetun pinnan läpi on yhtä suuri kuin tämän pinnan sisällä olevien varausten algebrallinen summa jaettuna sähkövakiolla ε0.

missä R on pallon säde. Pallopinnan läpi kulkeva vuo Φ on yhtä suuri kuin E:n tulo ja pallon pinta-ala 4πR2. Siten,

Ympäröidään nyt pistevaraus mielivaltaisella suljetulla pinnalla S ja tarkastellaan apupalloa, jonka säde on R0 (kuva 1.3.3).

Tarkastellaan kartiota, jonka kärjessä on pieni avaruuskulma ΔΩ. Tämä kartio korostaa pienen alueen ΔS0 pallolla ja alueen ΔS pinnalla S. Näiden alueiden läpi kulkevat alkeisvuot ΔΦ0 ja ΔΦ ovat samat. Todella,

Samalla tavalla voidaan osoittaa, että jos suljettu pinta S ei peitä pistevarausta q, niin virtaus Φ = 0. Tällainen tapaus on kuvattu kuvassa 1. 1.3.2. Kaikki pistevarauksen sähkökentän voimalinjat tunkeutuvat suljetun pinnan S läpi ja läpi. Pinnalla S ei ole varauksia, joten tällä alueella kenttäviivat eivät katkea tai nouse.

Superpositioperiaatteesta seuraa Gaussin lauseen yleistys mielivaltaisen varausjakauman tapaukseen. Minkä tahansa varausjakauman kenttä voidaan esittää pistevarausten sähkökenttien vektorisummana. Varausjärjestelmän virtaus Φ mielivaltaisen suljetun pinnan S läpi on yksittäisten varausten sähkökenttien virtausten Φi summa. Jos varaus qi sattuu olemaan pinnan S sisällä, niin sen osuus virtaukseen on yhtä suuri kuin jos tämä varaus on pinnan ulkopuolella, silloin sen sähkökentän osuus virtauksesta on nolla.

Siten Gaussin lause on todistettu.

Gaussin lause on seuraus Coulombin laista ja superpositioperiaatteesta. Mutta jos otamme tämän lauseen sisältämän väitteen alkuperäiseksi aksioomaksi, niin sen seuraus on Coulombin laki. Siksi Gaussin lausetta kutsutaan joskus Coulombin lain vaihtoehtoiseksi muotoiluksi.

Gaussin lausetta käyttämällä on joissain tapauksissa mahdollista helposti laskea sähkökentän voimakkuus varautuneen kappaleen ympärillä, jos annetulla varausjakaumalla on jonkin verran symmetriaa ja kentän yleinen rakenne voidaan arvata etukäteen.

Esimerkkinä on ohutseinäisen, onton, tasaisesti varatun pitkän sylinterin, jonka säde on R, kentän laskentatehtävä. Tällä ongelmalla on aksiaalinen symmetria. Symmetrisistä syistä sähkökenttä on suunnattava sädettä pitkin. Siksi Gaussin lauseen soveltamiseksi on suositeltavaa valita suljettu pinta S koaksiaalisen sylinterin muodossa, jonka säde on r ja pituus l ja joka on suljettu molemmista päistä (kuva 1.3.4).

Kun r ≥ R, koko intensiteettivektorin vuo kulkee sylinterin sivupinnan läpi, jonka pinta-ala on 2πrl, koska vuo molempien emästen läpi on nolla. Gaussin lauseen soveltaminen antaa:

Tämä tulos ei riipu varatun sylinterin säteestä R, joten se pätee myös pitkän tasaisesti varautuneen filamentin kenttää.

Kenttävoimakkuuden määrittämiseksi varatun sylinterin sisällä on tarpeen rakentaa kotelolle r suljettu pinta< R. В силу симметрии задачи поток вектора напряженности через боковую поверхность гауссова цилиндра должен быть и в этом случае равен Φ = E 2πrl. Согласно теореме Гаусса, этот поток пропорционален заряду, оказавшемуся внутри замкнутой поверхности. Этот заряд равен нулю. Отсюда следует, что электрическое поле внутри однородно заряженного длинного полого цилиндра равно нулю.

Samalla tavalla voidaan soveltaa Gaussin lausetta sähkökentän määrittämiseen useissa muissa tapauksissa, kun varausten jakautumisella on jonkinlainen symmetria, esimerkiksi symmetria keskustan, tason tai akselin suhteen. Jokaisessa näistä tapauksista on tarpeen valita sopivan muotoinen suljettu Gaussin pinta. Esimerkiksi keskussymmetrian tapauksessa on kätevää valita Gaussin pinta pallon muodossa, jonka keskipiste on symmetriapisteessä. Aksiaalisymmetrialla suljettu pinta on valittava koaksiaalisen sylinterin muodossa, joka on suljettu molemmista päistä (kuten edellä käsitellyssä esimerkissä). Jos varausten jakautumisella ei ole symmetriaa eikä sähkökentän yleistä rakennetta voida arvata, Gaussin lauseen soveltaminen ei voi yksinkertaistaa kenttävoimakkuuden määritysongelmaa.

Tarkastellaan toista esimerkkiä symmetrisestä varausjakaumasta - tasaisesti varautuneen tason kentän määrittämistä (kuva 1.3.5).

Tässä tapauksessa on suositeltavaa valita Gaussin pinta S jonkin pituisen sylinterin muodossa, joka on suljettu molemmista päistä. Sylinterin akseli on suunnattu kohtisuoraan varattuun tasoon nähden ja sen päät sijaitsevat samalla etäisyydellä siitä. Symmetrian vuoksi tasaisesti varautuneen tason kenttä on suunnattava kaikkialla normaalia pitkin. Gaussin lauseen soveltaminen antaa:

missä σ on pintavarauksen tiheys, eli varaus pinta-alayksikköä kohti.

Tuloksena oleva tasaisesti varautuneen tason sähkökentän lauseke on sovellettavissa myös äärellisen kokoisten tasaisten varautuneiden alueiden tapauksessa. Tässä tapauksessa etäisyyden kentänvoimakkuuden määrittämispisteestä varautuneeseen alueeseen tulee olla huomattavasti pienempi kuin alueen koko.

Ja aikataulut 7-11

1. Tasaisesti varautuneen pallomaisen pinnan synnyttämän sähköstaattisen kentän intensiteetti.

Olkoon säteellä R pallomainen pinta (kuva 13.7) tasaisesti jakautunutta varausta q, ts. pintavarauksen tiheys missä tahansa pallon kohdassa on sama.

a. Suljetaan pallomainen pintamme symmetriseen pintaan S, jonka säde on r>R. Jännitysvektorin virta pinnan S läpi on yhtä suuri kuin

Gaussin lauseen mukaan

Siten

c. Piirretään pisteen B kautta, joka sijaitsee varautuneen pallomaisen pinnan sisällä, pallo S, jonka säde on r

2. Pallon sähköstaattinen kenttä.

Olkoon pallo, jonka säde on R ja joka on tasaisesti varautunut tilavuustiheydellä.

Missä tahansa pisteessä A, joka sijaitsee pallon ulkopuolella etäisyydellä r sen keskustasta (r>R), sen kenttä on samanlainen kuin pallon keskellä sijaitsevan pistevarauksen kenttä. Sitten ulos pallosta

(13.10)

ja sen pinnalla (r=R)

Pisteessä B, joka sijaitsee pallon sisällä etäisyydellä r sen keskustasta (r>R), kentän määrää vain pallon sisällä oleva varaus, jonka säde on r. Jännitysvektorin virta tämän pallon läpi on yhtä suuri kuin

toisaalta Gaussin lauseen mukaisesti

Viimeisten lausekkeiden vertailusta se seuraa

missä on dielektrisyysvakio pallon sisällä. Varautuneen pallon luoman kentänvoimakkuuden riippuvuus etäisyydestä pallon keskipisteeseen on esitetty (Kuva 13.10)

Oletetaan, että ontto lieriömäinen pinta, jonka säde on R, on varautunut tasaisella lineaaritiheydellä.

Piirretään koaksiaalinen sylinterimäinen pinta, jonka säde on jännitysvektorin virtaus tämän pinnan läpi

Gaussin lauseen mukaan

Kahdesta viimeisestä lausekkeesta määritämme tasaisesti varautuneen langan luoman kentänvoimakkuuden:

Olkoon tason laajuus ääretön ja varaus pinta-alayksikköä kohti yhtä suuri kuin σ. Symmetrian laeista seuraa, että kenttä on suunnattu kaikkialle kohtisuoraan tasoon nähden, ja jos muita ulkoisia varauksia ei ole, kenttien tulee olla molemmilla puolilla tasoa samat. Rajataan osa varautuneesta tasosta kuvitteelliseen lieriömäiseen laatikkoon siten, että laatikko leikataan kahtia ja sen osat ovat kohtisuorassa ja kaksi kantaa, joilla kummallakin on pinta-ala S, ovat samansuuntaisia ​​varautuneen tason kanssa (kuva 1.10).

Kokonaisvektorivirtaus; jännitys on yhtä suuri kuin vektori kerrottuna ensimmäisen kannan pinta-alalla S plus vektorin virta vastakkaisen kannan läpi. Sylinterin sivupinnan läpi kulkeva jännitysvirta on nolla, koska jännityslinjat eivät leikkaa niitä. Täten, Toisaalta Gaussin lauseen mukaan

Siten

mutta silloin äärettömän tasaisesti varautuneen tason kentänvoimakkuus on yhtä suuri

Tämä lauseke ei sisällä koordinaatteja, joten sähköstaattinen kenttä on tasainen ja sen intensiteetti missä tahansa kentän kohdassa on sama.

5. Kahden äärettömän samansuuntaisen tason luoma kenttävoimakkuus, jotka on varattu vastakkaisesti samoilla tiheyksillä.

Kuten kuvasta 13.13 nähdään, kentänvoimakkuus kahden äärettömän yhdensuuntaisen tason välillä, joilla on pintavaraustiheydet ja on yhtä suuri kuin levyjen luomien kenttävoimakkuuksien summa, ts.

Täten,

Levyn ulkopuolella kunkin niistä tulevat vektorit on suunnattu vastakkaisiin suuntiin ja kumoavat toisensa. Siksi levyjä ympäröivän tilan kentänvoimakkuus on nolla E=0.

12. Tasaisesti varautuneen pallon kenttä.

Luodaan sähkökenttä varauksen vaikutuksesta K, jakautuvat tasaisesti sädepallon pinnalle R(Kuva 190). Kenttäpotentiaalin laskeminen mielivaltaisessa pisteessä, joka sijaitsee etäisyyden päässä r pallon keskeltä on tarpeen laskea kentän tekemä työ siirrettäessä yksikköpositiivista varausta tietystä pisteestä äärettömään. Aiemmin olemme osoittaneet, että sen ulkopuolella tasaisesti varautuneen pallon kentänvoimakkuus vastaa pallon keskellä sijaitsevan pistevarauksen kenttää. Näin ollen pallon ulkopuolella pallon kenttäpotentiaali osuu yhteen pistevarauksen kenttäpotentiaalin kanssa

φ (r)=K 4πε 0r . (1)

Erityisesti pallon pinnalla potentiaali on yhtä suuri kuin φ 0=K 4πε 0R. Pallon sisällä ei ole sähköstaattista kenttää, joten työ, joka tehdään varauksen siirtämiseksi pallon sisällä olevasta mielivaltaisesta pisteestä sen pintaan, on nolla A= 0, joten näiden pisteiden välinen potentiaaliero on myös nolla Δ φ = -A= 0. Näin ollen kaikilla pallon sisällä olevilla pisteillä on sama potentiaali, joka on sama kuin sen pinnan potentiaali φ 0=K 4πε 0R .

Tasaisesti varautuneen pallon kenttäpotentiaalin jakautumisella on siis muoto (kuva 191)

φ (r)=⎧⎩⎨K 4πε 0R, npu r<RQ 4πε 0r, npu r>R . (2)

Huomaa, että pallon sisällä ei ole kenttää ja potentiaali on nollasta poikkeava! Tämä esimerkki on selkeä esimerkki siitä, että potentiaalin määrää kentän arvo annetusta pisteestä äärettömään.

Dipoli.

Dielektrinen (kuten mikä tahansa aine) koostuu atomeista ja molekyyleistä. Koska molekyylin kaikkien ytimien positiivinen varaus on yhtä suuri kuin elektronien kokonaisvaraus, molekyyli kokonaisuudessaan on sähköisesti neutraali.

Ensimmäinen ryhmä eristeitä(N 2, H 2, O 2, CO 2, CH 4, ...) ovat aineita joiden molekyyleillä on symmetrinen rakenne, eli positiivisten ja negatiivisten varausten "painokeskipisteet" ulkoisen sähkökentän puuttuessa yhtyvät ja siten molekyylin dipolimomentti R yhtä suuri kuin nolla.Molekyylit tällaisia ​​dielektrejä kutsutaan ei-polaarinen. Ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta ei-polaaristen molekyylien varaukset siirtyvät vastakkaisiin suuntiin (positiiviset pitkin kenttää, negatiiviset kenttää vastaan) ja molekyyli saa dipolimomentin.

Esimerkiksi vetyatomi. Kentän puuttuessa negatiivisen varausjakauman keskipiste osuu yhteen positiivisen varauksen paikan kanssa. Kun kenttä kytketään päälle, positiivinen varaus siirtyy kentän suuntaan, negatiivinen varaus liikkuu kenttää vastaan ​​(kuva 6):

Kuva 6

Ei-polaarisen dielektrisen elastisen dipolin malli (kuva 7):

Kuva 7

Tämän dipolin dipolimomentti on verrannollinen sähkökenttään

Toinen ryhmä eristeitä(H 2 O, NH 3, SO 2, CO,...) ovat aineita, joiden molekyyleissä on epäsymmetrinen rakenne, eli positiivisten ja negatiivisten varausten "painopisteet" eivät ole samat. Näin ollen näillä molekyyleillä on dipolimomentti ulkoisen sähkökentän puuttuessa. Molekyylit tällaisia ​​dielektrejä kutsutaan napainen. Ulkoisen kentän puuttuessa Polaaristen molekyylien lämpöliikkeestä johtuvat dipolimomentit ovat satunnaisesti orientoituneita avaruudessa ja niiden tuloksena oleva momentti on nolla. Jos tällainen eriste sijoitetaan ulkoiseen kenttään, tämän kentän voimat pyrkivät pyörittämään dipoleja kenttää pitkin ja syntyy nollasta poikkeava vääntömomentti.

Polaarinen - "+" -varauksen keskukset ja "-" -varauksen keskukset siirtyvät esimerkiksi vesimolekyylissä H 2 O.

Polaarisen dielektrisen jäykän dipolin malli:

Kuva 8

Molekyylin dipolimomentti:

Kolmas ryhmä eristeitä(NaCl, KCl, KBr, ...) ovat aineita, joiden molekyyleillä on ionirakenne. Ionikiteet ovat avaruudellisia hiloja, joissa erimerkkisten ionien säännöllinen vaihtelu. Näissä kiteissä on mahdotonta eristää yksittäisiä molekyylejä, mutta niitä voidaan pitää kahden ionialihilan järjestelmänä, jotka on työnnetty toisiinsa. Kun sähkökenttä kohdistetaan ionikiteeseen, tapahtuu jonkin verran kidehilan muodonmuutosta tai alihilojen suhteellista siirtymää, mikä johtaa dipolimomenttien ilmaantumiseen.

Tuote maksutta | K| dipoli olkapäällään l kutsutaan sähköksi dipolimomentti:

s=|K|l.

Dipolikentän voimakkuus

Missä R- sähköinen dipolimomentti; r- sädevektorin moduuli, joka on piirretty dipolin keskustasta kohtaan, jossa kentänvoimakkuus kiinnostaa meitä; α- sädevektorin välinen kulma r ja olkapää l dipolit (kuva 16.1).

Dipolikentän voimakkuus pisteessä, joka sijaitsee dipoliakselilla (α=0),

ja pisteessä, joka on kohtisuorassa dipolivarteen nähden, nostettuna sen keskeltä () .

Dipolikentän potentiaali

Dipolikentän potentiaali pisteessä, joka sijaitsee dipoliakselilla (α = 0),

ja pisteessä, joka on kohtisuorassa dipolivarteen nähden, nostettuna sen keskeltä () , φ = 0.

Mekaaninen vääntömomentti, joka vaikuttaa dipoliin sähkömomentilla R, sijoitettu tasaiseen sähkökenttään intensiteetillä E,

M=[p;E](vektorin kertolasku), tai M = pE sin α ,

missä α on vektorien suuntien välinen kulma R Ja E.

· nykyinen vahvuus minä (toimii sähkövirran kvantitatiivisena mittana) - skalaarinen fyysinen määrä, jonka määrittää johtimen poikkileikkauksen läpi aikayksikköä kohden kulkeva sähkövaraus:

· nykyinen tiheys - fyysistä määrä, jonka määrää virran voimakkuus, joka kulkee johtimen yksikköpoikkipinta-alan läpi, joka on kohtisuorassa virran suuntaan

- vektori, suunnattu virran suuntaan (eli vektorin suuntaan j osuu yhteen positiivisten varausten järjestetyn liikkeen suunnan kanssa.

Virrantiheyden yksikkö on ampeeri per neliömetri (A/m2).

Virran voimakkuus mielivaltaisen pinnan läpi S määritellään vektorin virtaukseksi j, eli

· Virtaheyden lauseke virrankantoaaltojen keskinopeudella ja niiden pitoisuudella

Ajan dt aikana varaukset kulkevat alustan dS läpi, enintään vdt:n etäisyydellä (latausten ja alustan välisen etäisyyden lauseke nopeudella)

Varaus dq kulki dS:n läpi dt:n aikana

jossa q 0 on yhden kantoaineen varaus; n on varausten lukumäärä tilavuusyksikköä kohti (ts.

pitoisuus): dS·v·dt - tilavuus.

näin ollen virrantiheyden ilmaisu virran kantajien keskimääräisenä nopeudena ja niiden pitoisuutena on seuraavanlainen:

· DC.– virta, jonka voimakkuus ja suunta eivät muutu ajan kuluessa.

Missä q- sähkövaraus kulkee ajan myötä t johtimen poikkileikkauksen läpi. Virran yksikkö on ampeeri (A).

· ulkoiset voimat ja virtalähteen EMF

ulkopuoliset voimat - vahvuus ei-sähköstaattinen alkuperä, toimii nykyisistä lähteistä peräisin olevien maksujen perusteella.

Ulkoiset voimat toimivat liikuttamaan sähkövarauksia.

Nämä voimat ovat luonteeltaan sähkömagneettisia:

ja heidän työnsä testivarauksen q siirtämiseksi on verrannollinen q:hen:

· Fysikaaliseksi suureksi kutsutaan yksikköpositiivista varausta, joka määräytyy ulkoisten voimien työstä liikkuessaansähkömotorinen voima (emf), piirissä toimiminen:

missä e kutsutaan virtalähteen sähkömoottorivoimaksi. "+" -merkki vastaa tapausta, jossa lähde kulkee liikkuessaan ulkoisten voimien toiminnan suuntaan (negatiivisesta levystä positiiviseen), "-" - päinvastaiseen tapaukseen

· Ohmin laki piiriosalle

Charles Coulomb löysi kokeellisesti sähkövarausten vuorovaikutuksen peruslain vuonna 1785. Coulomb löysi sen kahden pienen varautuneen metallipallon välinen vuorovaikutusvoima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön niiden välillä ja riippuu varausten suuruudesta Ja :

,

Missä -suhteellisuustekijä
.

Syytteiden perusteella toimivat voimat, ovat keskeinen , eli ne on suunnattu lataukset yhdistävää suoraa linjaa pitkin.

Coulombin laki voidaan kirjoittaa ylös vektorimuodossa:
,

Missä -latauspuoli ,

- sädevektori, joka yhdistää varauksen latauksella ;

- sädevektorin moduuli.

Syytökseen vaikuttava voima ulkopuolelta yhtä kuin
,
.

Coulombin laki tässä muodossa

reilua vain pistesähkövarausten vuorovaikutukseen, eli sellaiset varautuneet kappaleet, joiden lineaariset mitat voidaan jättää huomiotta niiden väliseen etäisyyteen verrattuna.

ilmaisee vuorovaikutuksen vahvuutta kiinteiden sähkövarausten välillä, eli tämä on sähköstaattinen laki.

Coulombin lain muotoilu:

Sähköstaattisen vuorovaikutuksen voima kahden pisteen sähkövarauksen välillä on suoraan verrannollinen varausten suuruuden tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.

Suhteellisuustekijä Coulombin laissa riippuu

ympäristön ominaisuuksista

kaavaan sisältyvien suureiden mittayksiköiden valinta.

Siksi voidaan esittää suhteella
,

Missä -kerroin riippuu vain mittayksikköjärjestelmän valinnasta;

- kutsutaan dimensioimattomaksi suureksi, joka kuvaa väliaineen sähköisiä ominaisuuksia väliaineen suhteellinen dielektrisyysvakio . Se ei riipu mittayksikköjärjestelmän valinnasta ja on yhtä suuri kuin yksi tyhjiössä.

Silloin Coulombin laki on seuraavanlainen:
,

tyhjiötä varten
,

Sitten
-väliaineen suhteellinen dielektrisyysvakio osoittaa kuinka monta kertaa tietyssä väliaineessa kahden pisteen sähkövarauksen välinen vuorovaikutusvoima on Ja , jotka sijaitsevat etäisyyden päässä toisistaan , vähemmän kuin tyhjiössä.

SI-järjestelmässä kerroin
, Ja

Coulombin lailla on muoto:
.

Tämä rationalisoitu lain merkintä K ottaa kiinni.

- sähkövakio,
.

SGSE-järjestelmässä
,
.

Vektorimuodossa Coulombin laki ottaa muodon

Missä -varaukseen vaikuttava voimavektori latauspuoli ,

- sädevektori, joka yhdistää varauksen latauksella

r– sädevektorin moduuli .

Mikä tahansa varautunut kappale koostuu useista pistesähkövarauksista, joten sähköstaattinen voima, jolla yksi varautunut kappale vaikuttaa toiseen, on yhtä suuri kuin niiden voimien vektorisumma, jotka ensimmäisen kappaleen jokainen pistevaraus kohdistaa toisen kappaleen kaikkiin pistevarauksiin.

1.3 Sähkökenttä. Jännitys.

avaruus, jossa sähkövaraus sijaitsee, on varma fyysiset ominaisuudet.

Varmuuden vuoksi toinen tähän tilaan syötettyyn varaukseen vaikuttavat sähköstaattiset Coulombin voimat.

Jos voima vaikuttaa jokaiseen avaruuden pisteeseen, sanotaan, että siinä on voimakenttä.

Kenttä aineen ohella on aineen muoto.

Jos kenttä on paikallaan, eli se ei muutu ajan myötä, ja sen muodostavat kiinteät sähkövaraukset, tällaista kenttää kutsutaan sähköstaattiseksi.

Sähköstaattinen tutkimus tutkii vain sähköstaattisia kenttiä ja kiinteiden varausten vuorovaikutuksia.

Sähkökentän karakterisoimiseksi otetaan käyttöön intensiteetin käsite . Jännitysyu jokaisessa sähkökentän pisteessä kutsutaan vektoriksi , numeerisesti yhtä suuri kuin sen voiman suhde, jolla tämä kenttä vaikuttaa tiettyyn pisteeseen sijoitettuun testipositiiviseen varaukseen, ja tämän varauksen suuruuteen, joka on suunnattu voiman suuntaan.

Testi lataus, joka tuodaan kenttään, oletetaan pistevaraukseksi ja sitä kutsutaan usein testivaraukseksi.

- Hän ei osallistu kentän luomiseen, joka mitataan sen avulla.

Oletetaan, että tämä maksu ei vääristä tutkittavaa alaa, eli se on riittävän pieni eikä aiheuta kentän luovien varausten uudelleenjakautumista.

Jos testipistemaksulla kenttä toimii voimalla , sitten jännitystä
.

Jännitysyksiköt:

SI:

SSSE:

SI-järjestelmässä ilmaisu varten pistemaksukentät:

.

Vektorimuodossa:

Tässä – varauksesta piirretty sädevektori q, luomalla kentän tiettyyn pisteeseen.

T
tällä tavalla pistevarauksen sähkökentän voimakkuusvektoritq kaikki kentän kohdat on suunnattu säteittäisesti(Kuva 1.3)

- varauksesta, jos se on positiivinen, "lähde"

- ja varaukseen, jos se on negatiivinen"valua"

Graafiseen tulkintaan sähkökenttä otetaan käyttöön käsite voimalinjasta taijännityslinjoja . Tämä

käyrä , tangentti kussakin pisteessä, joka osuu yhteen jännitysvektorin kanssa.

Jännitelinja alkaa positiivisesta varauksesta ja päättyy negatiiviseen varaukseen.

Jännityslinjat eivät leikkaa, koska jokaisessa kentän pisteessä jännitysvektorilla on vain yksi suunta.

Varauksen säilymisen laki

Sähkövaraukset voivat kadota ja ilmaantua uudelleen. Kuitenkin kaksi vastakkaisten merkkien alkuvarausta ilmaantuu tai katoaa aina. Esimerkiksi elektroni ja positroni (positiivinen elektroni) annihiloituvat kohtaaessaan, ts. muuttuvat neutraaleiksi gammafotoneiksi. Tässä tapauksessa varaukset -e ja +e katoavat. Parin muodostukseksi kutsutun prosessin aikana gamma-fotoni, joka tulee atomin ytimen kenttään, muuttuu hiukkaspariksi - elektroniksi ja positroniksi, ja varauksia syntyy - e ja + e.

Täten, sähköisesti eristetyn järjestelmän kokonaisvaraus ei voi muuttua. Tätä lausuntoa kutsutaan sähkövarauksen säilymisen laki.

Huomaa, että sähkövarauksen säilymislaki liittyy läheisesti varauksen relativistiseen invarianssiin. Todellakin, jos varauksen suuruus riippuisi sen nopeudesta, niin asettamalla yhden merkin varaukset liikkeelle, muuttaisimme eristetyn järjestelmän kokonaisvarausta.

Varautuneet kappaleet ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, jolloin samanlaiset varaukset hylkivät ja toisin kuin varaukset houkuttelevat.

Tämän vuorovaikutuksen lain tarkan matemaattisen ilmaisun perusti vuonna 1785 ranskalainen fyysikko C. Coulomb. Siitä lähtien kiinteiden sähkövarausten vuorovaikutuslaki kantaa hänen nimeään.

Pistevaraukseksi voidaan ottaa varautunut kappale, jonka mitat voidaan jättää huomiotta vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden väliseen etäisyyteen verrattuna. Kokeidensa tuloksena Coulomb totesi, että:

Vuorovaikutusvoima kahden kiinteän pistevarauksen tyhjiössä on suoraan verrannollinen näiden varausten tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Voiman indeksi "" osoittaa, että tämä on varausten vuorovaikutusvoima tyhjiössä.

On todettu, että Coulombin laki on voimassa useiden kilometrien etäisyyksillä.

Tasa-arvon asettamiseksi on tarpeen ottaa käyttöön tietty suhteellisuuskerroin, jonka arvo riippuu yksikköjärjestelmän valinnasta:

On jo todettu, että SI:ssä varaus mitataan Cl:ssä. Coulombin laissa vasemman puolen mitta tunnetaan - voiman yksikkö, oikean puolen mitta tunnetaan - siis kerroin k osoittautuu mittaiseksi ja tasaiseksi. SI:ssä on kuitenkin tapana kirjoittaa tämä suhteellisuuskerroin hieman eri muodossa:

siten

missä on farad ( F) – sähkökapasitanssin yksikkö (katso kohta 3.3).

Suuruutta kutsutaan sähkövakioksi. Tämä on todella perusvakio, joka esiintyy monissa sähködynaamisissa yhtälöissä.

Siten Coulombin lailla skalaarimuodossa on muoto:

Coulombin laki voidaan ilmaista vektorimuodossa:

missä on varauksen yhdistävä sädevektori q 2 latauksella q 1,; - lataukseen vaikuttava voima q 1 latauspuoli q 2. Per veloitus q 2 latauspuoli q 1 voima vaikuttaa (kuva 1.1)

Kokemus osoittaa, että kahden tietyn varauksen välinen vuorovaikutusvoima ei muutu, jos niiden lähelle asetetaan muita varauksia.

D. Giancolin materiaaliin perustuvat julkaisut. "Fysiikka kahdessa osassa" 1984, osa 2.

Sähkövarausten välillä on voima. Miten se riippuu varausten suuruudesta ja muista tekijöistä?
Tätä kysymystä tutki 1780-luvulla ranskalainen fyysikko Charles Coulomb (1736-1806). Hän käytti vääntövaakoja, jotka olivat hyvin samanlaisia ​​kuin Cavendishin käyttämät painovoimavakion määrittämiseen.
Jos palloon kohdistuu panos kierteeseen ripustetun tangon päässä, tanko taipuu hieman, lanka vääntyy ja langan kiertokulma on verrannollinen varausten väliin vaikuttavaan voimaan (vääntötasapaino). ). Tällä laitteella Coulomb määritti voiman riippuvuuden varausten koosta ja niiden välisestä etäisyydestä.

Tuolloin ei ollut laitteita, joilla varausmäärää voitaisiin määrittää tarkasti, mutta Coulomb pystyi valmistamaan pieniä palloja tunnetulla varaussuhteella. Jos ladattu johtava pallo, hän päätteli, saatetaan kosketukseen täsmälleen saman varauksettoman pallon kanssa, niin ensimmäisessä pallossa oleva varaus jakautuu symmetrian vuoksi tasaisesti näiden kahden pallon välillä.
Tämä antoi hänelle mahdollisuuden vastaanottaa maksuja 1/2, 1/4 jne. alkuperäisestä.
Joistakin varausten induktioon liittyvistä vaikeuksista huolimatta Coulomb pystyi todistamaan, että voima, jolla yksi varautunut kappale vaikuttaa toiseen pieneen varautuneeseen kappaleeseen, on suoraan verrannollinen kunkin niistä sähkövaraukseen.
Toisin sanoen, jos jonkin näiden kappaleiden varaus kaksinkertaistuu, myös voima kaksinkertaistuu; jos molempien kappaleiden varaukset kaksinkertaistuvat samanaikaisesti, voima kasvaa neljä kertaa suuremmaksi. Tämä on totta, jos kappaleiden välinen etäisyys pysyy vakiona.
Muuttamalla kappaleiden välistä etäisyyttä Coulomb havaitsi, että niiden välillä vaikuttava voima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön: jos etäisyys esimerkiksi kaksinkertaistuu, voimasta tulee neljä kertaa pienempi.

Joten, Coulomb päätteli, voima, jolla yksi pieni varautunut kappale (ihannetapauksessa pistevaraus, ts. kappale kuin materiaalipiste, jolla ei ole avaruudellisia mittoja) vaikuttaa toiseen varautuneeseen kappaleeseen, on verrannollinen niiden varausten tuloon. K 1 ja K 2 ja on kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön:

Tässä k- suhteellisuuskerroin.
Tämä suhde tunnetaan Coulombin laina; sen pätevyys on vahvistettu huolellisilla kokeilla, jotka ovat paljon tarkempia kuin Coulombin alkuperäiset, vaikeasti toistettavat kokeet. Eksponentti 2 on tällä hetkellä määritetty tarkkuudella 10 -16, ts. se on yhtä suuri kuin 2 ± 2×10 -16.

Koska nyt on kyse uudesta suuresta - sähkövarauksesta, voimme valita mittayksikön siten, että kaavan vakio k on yhtä suuri kuin yksi. Itse asiassa tällaista yksikköjärjestelmää käytettiin laajasti fysiikassa viime aikoihin asti.

Puhumme CGS-järjestelmästä (senttigramma-sekunti), joka käyttää sähköstaattista varausyksikköä SGSE. Määritelmän mukaan kaksi pientä kappaletta, joiden kummankin varaus on 1 SGSE ja jotka sijaitsevat 1 cm:n etäisyydellä toisistaan, vuorovaikuttavat 1 dynin voimalla.

Nyt varaus ilmaistaan ​​kuitenkin useimmiten SI-järjestelmässä, jossa sen yksikkö on kuloni (C).
Annamme kulonin tarkan määritelmän sähkövirran ja magneettikentän suhteen myöhemmin.
SI-järjestelmässä vakio k on suuruusluokkaa k= 8,988 × 10 9 Nm 2 / Cl 2.

Tavallisten esineiden (kammat, muoviviivaimet jne.) kitkan aiheuttamat sähköistyksen varaukset ovat suuruusluokkaa mikrokuloni tai vähemmän (1 µC = 10 -6 C).
Elektronin varaus (negatiivinen) on noin 1,602 × 10 -19 C. Tämä on pienin tunnettu varaus; sillä on perustavanlaatuinen merkitys ja sitä edustaa symboli e, sitä kutsutaan usein alkuvaraukseksi.
e= (1,6021892 ± 0,0000046) × 10 -19 C tai e≈ 1,602 × 10 -19 Cl.

Koska kappale ei voi saada tai menettää osaa elektronista, kehon kokonaisvarauksen on oltava alkuainevarauksen kokonaislukukerrannainen. He sanovat, että varaus on kvantisoitu (eli se voi ottaa vain diskreettejä arvoja). Kuitenkin, koska elektronivaraus e on hyvin pieni, emme yleensä huomaa makroskooppisten varausten diskreettisyyttä (1 µC:n varaus vastaa noin 10 13 elektronia) ja pidämme varausta jatkuvana.

Coulombin kaava kuvaa voimaa, jolla yksi varaus vaikuttaa toiseen. Tämä voima on suunnattu varauksia yhdistävää linjaa pitkin. Jos varausten merkit ovat samat, niin varauksiin vaikuttavat voimat suuntautuvat vastakkaisiin suuntiin. Jos varausten merkit ovat erilaiset, niin varauksiin vaikuttavat voimat suuntautuvat toisiaan kohti.
Huomaa, että Newtonin kolmannen lain mukaan voima, jolla yksi varaus vaikuttaa toiseen, on suuruudeltaan yhtä suuri ja vastakkainen kuin voima, jolla toinen varaus vaikuttaa ensimmäiseen.
Coulombin laki voidaan kirjoittaa vektorimuodossa, samalla tavalla kuin Newtonin universaalin gravitaatiolaki:

Missä F 12 - varaukseen vaikuttava voimavektori K 1 latauspuoli K 2,
- latausten välinen etäisyys,
- yksikkövektori suunnattu K 2 k K 1.
On pidettävä mielessä, että kaavaa voidaan soveltaa vain kappaleisiin, joiden välinen etäisyys on huomattavasti suurempi kuin niiden omat mitat. Ihannetapauksessa nämä ovat pistemaksuja. Äärillisen kokoisille kappaleille ei aina ole selvää, kuinka etäisyys lasketaan r niiden välillä, varsinkin kun varausjakauma voi olla epätasainen. Jos molemmat kappaleet ovat palloja, joilla on tasainen varausjakauma, niin r tarkoittaa pallojen keskipisteiden välistä etäisyyttä. On myös tärkeää ymmärtää, että kaava määrittää tiettyyn varaukseen vaikuttavan voiman yhdestä varauksesta. Jos järjestelmä sisältää useita (tai useita) varautuneita kappaleita, niin tiettyyn varaukseen vaikuttava voima on jäljellä olevien varausten osaan vaikuttavien voimien resultantti (vektorisumma). Coulombin lain kaavan vakio k ilmaistaan ​​yleensä toisella vakiolla, ε 0 , niin sanottu sähkövakio, joka liittyy k suhde k = 1/(4πε 0). Kun tämä otetaan huomioon, Coulombin laki voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:

missä suurimmalla tarkkuudella tänään

tai pyöristetty

Useimpien muiden sähkömagneettisen teorian yhtälöiden kirjoittaminen yksinkertaistuu käyttämällä ε 0 , koska 4π lopputulos usein lyhenee. Siksi käytämme yleensä Coulombin lakia olettaen, että:

Coulombin laki kuvaa voimaa, joka vaikuttaa kahden levossa olevan varauksen välillä. Kun varaukset liikkuvat, niiden välille syntyy lisävoimia, joista keskustelemme seuraavissa luvuissa. Tässä huomioidaan vain levossa olevat maksut; Tämä sähkötutkimuksen osa on ns sähköstatiikka.

Jatkuu. Lyhyesti seuraavasta julkaisusta:

Sähkökenttä on toinen sähkömagneettisen kentän kahdesta komponentista, joka on vektorikenttä, joka esiintyy kappaleiden tai hiukkasten ympärillä, joilla on sähkövaraus, tai joka syntyy, kun magneettikenttä muuttuu.

Kommentteja ja ehdotuksia otetaan vastaan ​​ja tervetuloa!

Kahden kiinteän pistesähkövarauksen välinen vuorovaikutusvoima tyhjiössä on suoraan verrannollinen niiden moduulien tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön.

Coulombin laki kuvaa kvantitatiivisesti varautuneiden kappaleiden vuorovaikutusta. Se on peruslaki, eli se on vahvistettu kokeilulla, eikä se seuraa mistään muusta luonnonlaista. Se on suunniteltu kiinteisiin pistevarauksiin tyhjiössä. Todellisuudessa pistevarauksia ei ole olemassa, mutta sellaisina voidaan pitää varauksia, joiden koko on huomattavasti pienempi kuin niiden välinen etäisyys. Vuorovaikutusvoima ilmassa ei juuri eroa vuorovaikutusvoimasta tyhjiössä (se on alle tuhannesosan heikompi).

Sähkövaraus on fysikaalinen suure, joka kuvaa hiukkasten tai kappaleiden kykyä päästä sähkömagneettiseen voimavuorovaikutukseen.

Kiinteävarausten vuorovaikutuksen lain löysi ensimmäisenä ranskalainen fyysikko C. Coulomb vuonna 1785. Coulombin kokeissa mitattiin vuorovaikutus pallojen välillä, joiden mitat olivat paljon pienempiä kuin niiden välinen etäisyys. Tällaisia ​​varautuneita kappaleita kutsutaan yleensä pistemaksut.

Lukuisten kokeiden perusteella Coulomb vahvisti seuraavan lain:

Kahden kiinteän pistesähkövarauksen välinen vuorovaikutusvoima tyhjiössä on suoraan verrannollinen niiden moduulien tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Se on suunnattu varaukset yhdistävää suoraa pitkin, ja se on vetovoima, jos varaukset ovat vastakkaisia, ja hylkivä voima, jos varaukset ovat samanlaisia.

Jos merkitsemme latausmoduuleja | q 1 | ja | q 2 |, niin Coulombin laki voidaan kirjoittaa seuraavassa muodossa:

\[ F = k \cdot \dfrac(\left|q_1 \right| \cdot \left|q_2 \right|)(r^2) \]

Suhteellisuuskerroin k Coulombin laissa riippuu yksikköjärjestelmän valinnasta.

\[ k=\frac(1)(4\pi \varepsilon _0) \]

Coulombin lain täydellinen kaava:

\[ F = \dfrac(\left|q_1 \right|\left|q_2 \right|)(4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon r^2) \]

\(F\) - Coulombin voima

\(q_1 q_2 \) - kehon sähkövaraus

\(r\) - latausten välinen etäisyys

\(\varepsilon_0 = 8,85*10^(-12)\)- Sähkövakio

\(\varepsilon \) - Väliaineen dielektrisyysvakio

\(k = 9*10^9 \) - Suhteellisuuskerroin Coulombin laissa

Vuorovaikutusvoimat noudattavat Newtonin kolmatta lakia: \(\vec(F)_(12)=\vec(F)_(21) \). Ne ovat hylkiviä voimia, joilla on samat varausmerkit, ja houkuttelevia voimia, joilla on erilaiset merkit.

Sähkövaraus merkitään yleensä kirjaimilla q tai Q.

Kaikkien tunnettujen kokeellisten tosiasioiden kokonaisuus antaa meille mahdollisuuden tehdä seuraavat johtopäätökset:

Sähkövarauksia on kahta tyyppiä, joita kutsutaan perinteisesti positiivisiksi ja negatiivisiksi.

Varaukset voidaan siirtää (esimerkiksi suoralla kosketuksella) kehosta toiseen. Toisin kuin kehon massa, sähkövaraus ei ole tietyn kehon kiinteä ominaisuus. Samalla keholla eri olosuhteissa voi olla erilainen varaus.

Kuten varaukset hylkivät, toisin kuin varaukset houkuttelevat. Tämä paljastaa myös perustavanlaatuisen eron sähkömagneettisten ja gravitaatiovoimien välillä. Gravitaatiovoimat ovat aina houkuttelevia voimia.

Kiinteiden sähkövarausten vuorovaikutusta kutsutaan sähköstaattiseksi tai Coulombin vuorovaikutukseksi. Sähködynamiikan haaraa, joka tutkii Coulombin vuorovaikutusta, kutsutaan sähköstatiikaksi.

Coulombin laki pätee pistevarauskappaleille. Käytännössä Coulombin laki täyttyy hyvin, jos varautuneiden kappaleiden koot ovat paljon pienempiä kuin niiden välinen etäisyys.

Huomaa, että Coulombin lain täyttyminen edellyttää kolmea ehtoa:

• Maksujen tarkkuus- eli varattujen kappaleiden välinen etäisyys on paljon suurempi kuin niiden koko.
• Maksujen liikkumattomuus. Muuten tulevat voimaan lisävaikutukset: liikkuvan varauksen magneettikenttä ja vastaava Lorentzin lisävoima, joka vaikuttaa toiseen liikkuvaan varaukseen.
• Varausten vuorovaikutus tyhjiössä.

Kansainvälisessä SI-järjestelmässä varauksen yksikkö on kuloni (C).

Kuloni on varaus, joka kulkee johtimen poikkileikkauksen läpi 1 sekunnissa 1 A:n virralla. Virran SI-yksikkö (ampeeri) on pituuden, ajan ja massan yksiköiden ohella perusmittayksikkö.