Coulombsches Gesetz und seine Anwendung in der Elektrotechnik

So wie in der Newtonschen Mechanik die Gravitationswechselwirkung immer zwischen Körpern mit Massen auftritt, ist ähnlich wie in der Elektrodynamik die elektrische Wechselwirkung charakteristisch für Körper mit elektrischen Ladungen. Elektrische Ladung wird mit dem Symbol „q“ oder „Q“ bezeichnet.

Wir können sogar sagen, dass das Konzept der elektrischen Ladung q in der Elektrodynamik dem Konzept der Gravitationsmasse m in der Mechanik etwas ähnelt. Aber im Gegensatz zur gravitativen Masse charakterisiert die elektrische Ladung die Eigenschaft von Körpern und Teilchen, elektromagnetische Wechselwirkungen einzugehen, und diese Wechselwirkungen sind, wie Sie verstehen, nicht gravitativ.

Elektrische Aufladungen

Die menschliche Erfahrung bei der Untersuchung elektrischer Phänomene enthält viele experimentelle Ergebnisse, und all diese Fakten ermöglichten es den Physikern, die folgenden eindeutigen Schlussfolgerungen über elektrische Ladungen zu ziehen:

1. Es gibt zwei Arten elektrischer Ladungen – bedingt können sie in positive und negative unterteilt werden.

2.Elektrische Ladungen können von einem geladenen Objekt auf ein anderes übertragen werden: Wenn beispielsweise Körper miteinander in Kontakt kommen, kann die Ladung zwischen ihnen getrennt werden. In diesem Fall ist die elektrische Ladung überhaupt kein zwingender Bestandteil des Körpers: Unter verschiedenen Bedingungen kann das gleiche Objekt eine Ladung unterschiedlicher Größe und Vorzeichen haben oder keine Ladung haben. Somit ist die Ladung nicht etwas, das dem Träger innewohnt, und gleichzeitig kann die Ladung nicht ohne den Träger existieren.

3. Während gravitierende Körper sich immer gegenseitig anziehen, können elektrische Ladungen sich sowohl anziehen als auch abstoßen. Gleiche Ladungen ziehen sich gegenseitig an, gleiche Ladungen stoßen sich ab.

Ladungsträger sind Elektronen, Protonen und andere Elementarteilchen. Es gibt zwei Arten elektrischer Ladungen – positive und negative. Die positiven Ladungen sind diejenigen, die auf dem mit Leder geriebenen Glas erscheinen. Negativ – Auf mit Fell geriebenem Bernstein treten Aufladungen auf. Die mit den gleichnamigen Vorwürfen beauftragten Behörden wehren sich. Objekte mit entgegengesetzter Ladung ziehen sich gegenseitig an.

Das Gesetz der Erhaltung der elektrischen Ladung ist ein grundlegendes Naturgesetz und lautet wie folgt: „Die algebraische Summe der Ladungen aller Körper in einem isolierten System bleibt konstant.“ Dies bedeutet, dass in einem geschlossenen System das Erscheinen oder Verschwinden von Gebühren für nur ein Zeichen unmöglich ist.

Die algebraische Ladungssumme in einem isolierten System bleibt konstant. Ladungsträger können sich von einem Körper zum anderen bewegen oder sich innerhalb eines Körpers, in einem Molekül oder Atom, bewegen. Die Gebühr ist unabhängig vom Bezugsrahmen.

Nach heutiger wissenschaftlicher Auffassung waren Ladungsträger ursprünglich Elementarteilchen.Elementarteilchen Neutronen (elektrisch neutral), Protonen (positiv geladen) und Elektronen (negativ geladen) bilden Atome.

Die Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, und Elektronen bilden die Atomhüllen. Die Moduli der Ladungen eines Elektrons und eines Protons sind betragsmäßig gleich der Elementarladung e, die Ladungen dieser Teilchen sind jedoch im Vorzeichen einander entgegengesetzt.

Wechselwirkung elektrischer Ladungen – Coulombsches Gesetz

Was die direkte Wechselwirkung elektrischer Ladungen untereinander betrifft, so hat der französische Physiker Charles Coulomb 1785 dieses Grundgesetz der Elektrostatik, das Grundgesetz der Natur, das aus keinem anderen Gesetz folgt, experimentell festgestellt und beschrieben. In seiner Arbeit untersucht der Wissenschaftler die Wechselwirkung stationärer punktgeladener Körper und misst die Kräfte ihrer gegenseitigen Abstoßung und Anziehung.

Coulomb stellte experimentell Folgendes fest: „Die Wechselwirkungskräfte stationärer Ladungen sind direkt proportional zum Produkt der Module und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen.“

Dies ist die Formulierung des Coulombschen Gesetzes. Und obwohl es in der Natur keine Punktladungen gibt, können wir im Rahmen dieser Formulierung des Coulombschen Gesetzes nur in Bezug auf Punktladungen über den Abstand zwischen ihnen sprechen.

Wenn die Abstände zwischen den Körpern tatsächlich deutlich größer sind als ihre Größe, dann haben weder die Größe noch die Form der geladenen Körper einen besonderen Einfluss auf ihre Wechselwirkung, was bedeutet, dass die Körper für dieses Problem durchaus als punktförmig angesehen werden können.

Schauen wir uns ein Beispiel an. Hängen wir ein paar geladene Bälle an Schnüren auf.Da sie auf irgendeine Weise aufgeladen sind, stoßen sie sich entweder ab oder ziehen an. Da die Kräfte entlang einer diese Körper verbindenden Geraden gerichtet sind, handelt es sich um Zentralkräfte.

Um die Kräfte zu bezeichnen, die von der anderen auf die einzelnen Ladungen wirken, schreiben wir: F12 ist die Kraft der zweiten Ladung auf die erste, F21 ist die Kraft der ersten Ladung auf die zweite, r12 ist der Radiusvektor der zweiten Punktladung zum ersten. Haben die Ladungen das gleiche Vorzeichen, so ist die Kraft F12 gemeinsam auf den Radiusvektor gerichtet, haben die Ladungen jedoch unterschiedliche Vorzeichen, dann ist die Kraft F12 gegen den Radiusvektor gerichtet.

Mithilfe des Gesetzes der Wechselwirkung von Punktladungen (Coulombsches Gesetz) kann nun die Wechselwirkungskraft für beliebige Punktladungen oder Punktladungskörper ermittelt werden. Wenn die Körper nicht punktförmig sind, werden sie gedanklich in Pastellelemente zerlegt, die jeweils als Punktladung aufgefasst werden können.

Nachdem man die Kräfte ermittelt hat, die zwischen allen kleinen Elementen wirken, addiert man diese Kräfte geometrisch – man ermittelt die resultierende Kraft. Auch Elementarteilchen interagieren nach dem Coulombschen Gesetz miteinander, und bisher wurden keine Verstöße gegen dieses Grundgesetz der Elektrostatik beobachtet.

Anwendung des Coulombschen Gesetzes in der Elektrotechnik

Es gibt keinen Bereich in der modernen Elektrotechnik, in dem das Coulombsche Gesetz nicht in der einen oder anderen Form gilt. Beginnend mit einem elektrischen Strom, endend mit einem einfach geladenen Kondensator. Besonders die Bereiche, die sich mit Elektrostatik befassen – sie beziehen sich zu 100 % auf das Coulombsche Gesetz. Schauen wir uns nur ein paar Beispiele an.

Der einfachste Fall ist das Einbringen eines Dielektrikums.Die Wechselwirkungskraft von Ladungen im Vakuum ist immer größer als die Wechselwirkungskraft derselben Ladungen unter Bedingungen, in denen sich zwischen ihnen eine Art Dielektrikum befindet.

Die Dielektrizitätskonstante eines Mediums ist genau der Wert, der es ermöglicht, die Werte der Kräfte quantitativ zu bestimmen, unabhängig vom Abstand zwischen den Ladungen und ihrer Größe. Es genügt, die Wechselwirkungskraft der Ladungen im Vakuum durch die Dielektrizitätskonstante des eingeführten Dielektrikums zu dividieren – wir erhalten die Wechselwirkungskraft in Gegenwart eines Dielektrikums.

Hochentwickelte Forschungsausrüstung – ein Teilchenbeschleuniger. Der Betrieb von Beschleunigern für geladene Teilchen basiert auf dem Phänomen der Wechselwirkung eines elektrischen Feldes und geladener Teilchen. Das elektrische Feld arbeitet im Beschleuniger und erhöht die Energie des Teilchens.

Betrachtet man hier das beschleunigte Teilchen als Punktladung und die Wirkung des beschleunigenden elektrischen Feldes des Beschleunigers als Gesamtkraft aus anderen Punktladungen, dann ist in diesem Fall das Coulombsche Gesetz vollständig eingehalten. Das Magnetfeld lenkt das Teilchen nur durch Die Lorentzkraft verändert jedoch nicht ihre Energie, sondern legt nur die Flugbahn für die Bewegung der Teilchen im Beschleuniger fest.

Elektrische Schutzkonstruktionen. Wichtige Elektroinstallationen sind immer mit etwas auf den ersten Blick so Einfachem wie einem Blitzableiter ausgestattet. Und auch der Blitzableiter geht bei seiner Arbeit nicht ohne Beachtung des Coulombschen Gesetzes vorüber. Während eines Gewitters entstehen auf der Erde große induzierte Ladungen – nach dem Coulombschen Gesetz werden sie in Richtung der Gewitterwolke angezogen. Die Folge ist ein starkes elektrisches Feld auf der Erdoberfläche.

Die Intensität dieses Feldes ist in der Nähe von scharfen Leitern besonders hoch, und deshalb wird am spitzen Ende des Blitzableiters eine koronale Entladung gezündet – die Ladung von der Erde neigt dazu, dem Coulombschen Gesetz gehorchend, von der entgegengesetzten Ladung des Blitzes angezogen zu werden. Wolke.

Durch die Koronaentladung ist die Luft in der Nähe des Blitzableiters stark ionisiert. Dadurch nimmt die Stärke des elektrischen Feldes in der Nähe der Spitze ab (sowie im Inneren eines Drahtes), induzierte Ladungen können sich nicht am Gebäude ansammeln und die Wahrscheinlichkeit eines Blitzschlags verringert sich. Wenn ein Blitz in den Blitzableiter einschlägt, wird die Ladung einfach zur Erde geleitet und beschädigt die Installation nicht.