La loi de Coulomb et son application en génie électrique
Tout comme dans la mécanique newtonienne, l'interaction gravitationnelle se produit toujours entre les corps avec des masses, de même que l'électrodynamique, l'interaction électrique est caractéristique des corps avec des charges électriques. La charge électrique est désignée par le symbole «q» ou «Q».
On peut même dire que le concept de charge électrique q en électrodynamique est quelque peu similaire au concept de masse gravitationnelle m en mécanique. Mais contrairement à la masse gravitationnelle, la charge électrique caractérise la propriété des corps et des particules à entrer dans des interactions électromagnétiques, et ces interactions, comme vous le comprenez, ne sont pas gravitationnelles.
Charges électriques
L'expérience humaine dans l'étude des phénomènes électriques contient de nombreux résultats expérimentaux, et tous ces faits ont permis aux physiciens de parvenir aux conclusions sans équivoque suivantes sur les charges électriques:
1. Les charges électriques sont de deux types - conditionnellement, elles peuvent être divisées en positives et négatives.
2.Les charges électriques peuvent être transférées d'un objet chargé à un autre : par exemple, en mettant des corps en contact les uns avec les autres - la charge entre eux peut être séparée. Dans ce cas, la charge électrique n'est pas du tout un composant obligatoire du corps : dans des conditions différentes, le même objet peut avoir une charge de magnitude et de signe différents, ou il peut ne pas avoir de charge. Ainsi la charge n'est pas quelque chose d'inhérent au porteur, et en même temps la charge ne peut exister sans le porteur.
3. Alors que les corps gravitants s'attirent toujours, les charges électriques peuvent à la fois s'attirer et se repousser. Des charges semblables s'attirent, des charges semblables se repoussent.
Les porteurs de charge sont les électrons, les protons et autres particules élémentaires. Il existe deux types de charges électriques : positives et négatives. Les charges positives sont celles qui apparaissent sur le verre frotté avec du cuir. Négatif - Charges apparaissant sur l'ambre frotté à la fourrure. Les autorités chargées des accusations du même nom repoussent. Les objets de charges opposées s'attirent.
La loi de conservation de la charge électrique est une loi fondamentale de la nature, elle se lit ainsi : « la somme algébrique des charges de tous les corps dans un système isolé reste constante ». Cela signifie que dans un système fermé, l'apparition ou la disparition de charges pour un seul signe est impossible.
La somme algébrique des charges dans un système isolé est maintenue constante. Les porteurs de charge peuvent se déplacer d'un corps à un autre ou se déplacer à l'intérieur d'un corps, dans une molécule, un atome. La charge est indépendante du référentiel.
Aujourd'hui, la vision scientifique est qu'à l'origine les porteurs de charge étaient des particules élémentaires.Les particules élémentaires neutrons (électriquement neutres), protons (chargés positivement) et électrons (chargés négativement) constituent les atomes.
Les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons, et les électrons forment les coquilles des atomes. Les modules des charges d'un électron et d'un proton sont égaux en grandeur à la charge élémentaire e, mais en signe les charges de ces particules sont opposées l'une à l'autre.
Interaction des charges électriques - Loi de Coulomb
Quant à l'interaction directe des charges électriques les unes avec les autres, alors en 1785, le physicien français Charles Coulomb a établi et décrit expérimentalement cette loi fondamentale de l'électrostatique, la loi fondamentale de la nature, qui ne découle d'aucune autre loi. Dans son travail, le scientifique étudie l'interaction de corps fixes à charge ponctuelle et mesure les forces de leur répulsion et de leur attraction mutuelles.
Coulomb a établi expérimentalement ce qui suit : "Les forces d'interaction des charges stationnaires sont directement proportionnelles au produit des modules et inversement proportionnelles au carré de la distance qui les sépare."
C'est la formulation de la loi de Coulomb. Et bien que les charges ponctuelles n'existent pas dans la nature, ce n'est qu'en termes de charges ponctuelles que nous pouvons parler de la distance entre elles, dans cette formulation de la loi de Coulomb.
En fait, si les distances entre les corps dépassent considérablement leurs tailles, alors ni la taille ni la forme des corps chargés n'affecteront particulièrement leur interaction, ce qui signifie que les corps pour ce problème peuvent être considérés comme ponctuels.
Prenons un exemple. Accrochez des balles chargées à des cordes.Parce qu'ils sont chargés d'une manière ou d'une autre, ils se repoussent ou s'attirent. Puisque les forces sont dirigées le long d'une ligne droite reliant ces corps, ce sont des forces centrales.
Pour désigner les forces agissant sur chacune des charges de l'autre, on écrira : F12 est la force de la seconde charge sur la première, F21 est la force de la première charge sur la seconde, r12 est le rayon vecteur de la seconde point de charge au premier. Si les charges ont le même signe, alors la force F12 sera dirigée conjointement vers le rayon vecteur, mais si les charges ont des signes différents, alors la force F12 sera dirigée contre le rayon vecteur.
En utilisant la loi d'interaction des charges ponctuelles (loi de Coulomb), la force d'interaction peut maintenant être trouvée pour n'importe quelle charge ponctuelle ou corps de charge ponctuelle. Si les corps ne sont pas ponctuels, ils sont décomposés mentalement en pastels d'éléments, dont chacun peut être pris comme une charge ponctuelle.
Après avoir trouvé les forces agissant entre tous les petits éléments, ces forces s'additionnent géométriquement - ils trouvent la force résultante. Les particules élémentaires interagissent également les unes avec les autres selon la loi de Coulomb, et à ce jour aucune violation de cette loi fondamentale de l'électrostatique n'a été observée.
Application de la loi de Coulomb en génie électrique
Il n'y a pas de domaine dans l'électrotechnique moderne où la loi de Coulomb ne fonctionne pas sous une forme ou une autre. Commençant par un courant électrique, se terminant par un condensateur simplement chargé. Surtout les domaines qui traitent de l'électrostatique - ils sont liés à 100% à la loi de Coulomb. Regardons juste quelques exemples.
Le cas le plus simple est l'introduction d'un diélectrique.La force d'interaction des charges dans le vide est toujours supérieure à la force d'interaction des mêmes charges dans des conditions où une sorte de diélectrique est placée entre elles.
La constante diélectrique d'un milieu est précisément cette valeur qui vous permet de déterminer quantitativement les valeurs des forces, quelle que soit la distance entre les charges et leurs amplitudes. Il suffit de diviser la force d'interaction des charges dans le vide par la constante diélectrique du diélectrique introduit — on obtient la force d'interaction en présence d'un diélectrique.
Un équipement de recherche sophistiqué — un accélérateur de particules. Le fonctionnement des accélérateurs de particules chargées repose sur le phénomène d'interaction d'un champ électrique et de particules chargées. Le champ électrique fonctionne dans l'accélérateur, augmentant l'énergie de la particule.
Si nous considérons ici la particule accélérée comme une charge ponctuelle, et l'action du champ électrique accélérateur de l'accélérateur comme la force totale des autres charges ponctuelles, alors dans ce cas la loi de Coulomb est pleinement observée. Le champ magnétique dirige la particule uniquement à travers la force de Lorentz, mais ne change pas son énergie, mais définit seulement la trajectoire du mouvement des particules dans l'accélérateur.
Structures électriques de protection. Les installations électriques importantes sont toujours équipées de quelque chose d'aussi simple à première vue qu'un paratonnerre. Et le paratonnerre dans son travail ne passe pas non plus sans observer la loi de Coulomb. Lors d'un orage, de grandes charges induites apparaissent sur Terre — selon la loi de Coulomb, elles sont attirées en direction du nuage orageux. Le résultat est un fort champ électrique à la surface de la terre.
L'intensité de ce champ est particulièrement élevée près des conducteurs pointus, et donc une décharge coronale est allumée à l'extrémité pointue du paratonnerre - la charge de la Terre a tendance, obéissant à la loi de Coulomb, à être attirée par la charge opposée du coup de foudre. nuage.
L'air près du paratonnerre est fortement ionisé en raison de la décharge corona. En conséquence, la force du champ électrique près de la pointe diminue (ainsi qu'à l'intérieur de tout fil), les charges induites ne peuvent pas s'accumuler sur le bâtiment et la probabilité de foudre est réduite. Si la foudre frappe le paratonnerre, la charge ira simplement à la Terre et n'endommagera pas l'installation.