Закон Кулона
Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
кулон перевод
Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.
Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:
k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц.
Полная формула закона Кулона:
— Электрический заряд тела
. Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:
- Точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
- Неподвижность зарядов. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд .
- Взаимодействие зарядов в вакууме.
В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл) .
Как залить кулоны-контуры? Летняя коллекция | Masherisha
Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А . Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.
ИсточникПодробнее об электрическом заряде
Как ни удивительно, но мы сталкиваемся со статическим электричеством ежедневно — когда гладим любимую кошку, расчесываем волосы или натягиваем свитер из синтетики. Так мы сами поневоле становимся генераторами статического электричества. Мы буквально купаемся в нём, ведь мы живем в сильном электростатическом поле Земли.
Это поле возникает из-за того, что её окружает ионосфера, верхний слой атмосферы — электропроводящий слой. Ионосфера образовалась под действием космического излучения и имеет свой заряд. Занимаясь обыденными делами вроде разогрева пищи, мы совершенно не задумываемся о том, что пользуемся статическим электричеством, повернув кран подачи газа на горелке с автоподжигом или поднеся к ней электрозажигалку.
Примеры статического электричества
Мы с детства инстинктивно боимся грома, хотя сам по себе он абсолютно безопасен — просто акустическое следствие грозного удара молнии, которая и вызвана атмосферным статическим электричеством. Моряки времён парусного флота впадали в священный трепет, наблюдая огоньки святого Эльма на своих мачтах, которые тоже являются проявлением атмосферного статического электричества. Люди наделяли верховных богов древних религий неотъемлемым атрибутом в виде молний, будь то греческий Зевс, римский Юпитер, скандинавский Тор или Перун русичей.
С тех пор, как люди впервые начали интересоваться электричеством, прошли века, и мы даже порой не подозреваем, что учёные, сделав из изучения статического электричества глубокомысленные выводы, спасают нас от ужасов пожаров и взрывов. Мы укротили электростатику, нацелив в небо пики громоотводов и снабдив бензовозы заземляющими устройствами, позволяющими электростатическим зарядам безопасно уходить в землю. И, тем не менее, статическое электричество продолжает хулиганить, создавая помехи приёму радиосигналов — ведь на Земле одновременно бушует до 2000 гроз, которые ежесекундно генерируют до 50 разрядов молний.
Исследованием статического электричества люди занимались с незапамятных времён; даже термину «электрон» мы обязаны древним грекам, хотя они подразумевали под этим несколько иное — так они называли янтарь, который прекрасно электризовался при трении (др. — греч. ἤλεκτρον — янтарь). К сожалению, наука о статическом электричестве не обошлась без жертв — российский учёный Георг Вильгельм Рихман во время проведения эксперимента был убит разрядом молнии, которая является наиболее грозным проявлением атмосферного статического электричества.
Статическое электричество и погода
В первом приближении, механизм образования зарядов грозового облака во многом сходен с механизмом электризации расчёски — в нём точно так же происходит электризация трением. Льдинки, образуясь из мелких капелек воды, охлаждённой из-за переноса восходящими потоками воздуха в верхнюю, более холодную, часть облака, сталкиваются между собой. Более крупные льдинки заряжаются при этом отрицательно, а меньшие — положительно. Из-за разницы в весе происходит перераспределение льдинок в облаке: крупные, более тяжёлые, опускаются в нижнюю часть облака, а более лёгкие льдинки меньшего размера собираются в верхней части грозового облака. Хотя всё облако в целом остаётся нейтральным, нижняя часть облака получает отрицательный заряд, а верхняя — положительный.
Подобно наэлектризованной расческе, притягивающей воздушный шарик из-за индуцирования на его ближней к расческе стороне противоположного заряда, грозовое облако индуцирует на поверхности Земли положительный заряд. По мере развития грозового облака, заряды увеличиваются, при этом растёт напряжённость поля между ними, и, когда напряжённость поля превысит критическое значение для данных погодных условий, происходит электрический пробой воздуха — разряд молнии.
Человечество обязано Бенджамину Франклину — впоследствии президенту Высшего исполнительного совета Пенсильвании и первому Генеральному почтмейстеру США — за изобретение громоотвода (точнее было бы назвать его молниеотводом), навсегда избавившего население Земли от пожаров, вызываемых попаданием молний в здания. Кстати, Франклин не стал патентовать своё изобретение, сделав его доступным для всего человечества.
Не всегда молнии несли только разрушения — уральские рудознатцы определяли расположение железных и медных руд именно по частоте ударов молний в определённые точки местности.
В числе учёных, посвятивших своё время исследованию явлений электростатики, необходимо упомянуть англичанина Майкла Фарадея, впоследствии одного из основателей электродинамики, и голландца Питера ван Мушенбрука, изобретателя прототипа электрического конденсатора — знаменитой лейденской банки.
Наблюдая за гонками DTM, IndyCar или Formula 1, мы даже не подозреваем, что механики зазывают пилотов для смены резины на дождевую, опираясь на данные метеорологических РЛС. А эти данные, в свою очередь, основаны именно на электрических характеристиках подступающих грозовых облаков.
Статическое электричество — наш друг и враг одновременно: его недолюбливают радиоинженеры, натягивая заземляющие браслеты при ремонте сгоревших плат в результате удара поблизости молнии — при этом, как правило, выходят из строя входные каскады оборудования. При неисправном заземляющем оборудовании оно может стать причиной тяжёлых техногенных катастроф с трагическими последствиями — пожаров и взрывов целых заводов.
Статическое электричество в медицине
Тем не менее, оно приходит на помощь людям при нарушениях сердечного ритма, вызванных хаотическими судорожными сокращениями сердца больного. Его нормальная работа восстанавливается пропусканием небольшого электростатического разряда при помощи прибора, называемого дефибриллятором. Сцена возвращения пациента с того света с помощью дефибриллятора является своего рода классикой для кино определённого жанра. При этом следует отметить, что в кино традиционно показывают монитор с отсутствующим сигналом сердцебиения и зловещей прямой линией, хотя на самом деле применение дефибриллятора не помогает, если сердце пациента остановилось.
Разрядники на крыле самолета Boeing 738-800 предназначены для снятия статического электричества для обеспечения надежной работы бортового электронного оборудования.
Другие примеры
Нелишне будет вспомнить о необходимости металлизации самолетов для защиты от статического электричества, то есть, соединения всех металлических частей самолета, включая двигатель, в одну электрически целостную конструкцию. На законцовках всего оперения самолета устанавливают статические разрядники для стекания статического электричества, накапливающегося во время полета вследствие трения воздуха о корпус самолета. Эти меры необходимы для защиты от помех, возникающих при разряде статического электричества, и обеспечения надежной работы бортового электронного оборудования.
Электростатика играет определённую роль в знакомстве учеников с разделом «Электричество» — более эффектных опытов, пожалуй, не знает ни один из разделов физики — тут тебе и волосы, вставшие дыбом, и погоня воздушного шарика за расческой, и таинственное свечение люминесцентных ламп безо всякого подключения проводов! А ведь этот эффект свечения газонаполненных приборов спасает жизни электромонтёрам, имеющих дело с высоким напряжением в современных линиях электропередач и распределительных сетях.
И самое главное, учёные пришли к выводу, что статическому электричеству, точнее его разрядам в виде молний, мы, вероятно, обязаны появлению жизни на Земле. В ходе экспериментов в середине прошлого века, с пропусканием электрических разрядов через смесь газов, близкую по составу к первичному составу атмосферы Земли, была получена одна из аминокислот, которая является «кирпичиком» нашей жизни.
Источники бесперебойного питания (ИБП) используются для защиты оборудования от провалов напряжения, пропадания электропитания и импульсов высокого напряжения в промышленной электросети, которые могут возникать во время непрямых ударов молний
Для укрощения электростатики очень важно знать разность потенциалов или электрическое напряжение, для измерения которого придуманы приборы, называемые вольтметрами. Ввел понятие электрического напряжения итальянский учёный 19-го века Алессандро Вольта, по имени которого и названа эта единица. В своё время для измерения электростатического напряжения использовались гальванометры, названные по имени соотечественника Вольта Луиджи Гальвани. К сожалению, эти приборы электродинамического типа вносили искажения в измерения.
Изучение статического электричества
К систематическому изучению природы электростатики учёные приступили со времён работ французского учёного 18-го века Шарля Огюстена де Кулона. В частности, он ввёл понятие электрического заряда и открыл закон взаимодействия зарядов. По его имени названа единица измерения количества электричества — кулон (Кл). Правда, ради исторической справедливости, надо заметить, что годами ранее этим занимался английский учёный лорд Генри Кавендиш; к сожалению, он писал в стол и его работы были опубликованы наследниками лишь спустя 100 лет.
Работы предшественников, посвященные законам электрических взаимодействий, дали возможность физикам Джорджу Грину, Карлу Фридриху Гауссу и Симеону Дени Пуассону создать изящную в математическом отношении теорию, которой мы пользуемся до сих пор. Главным принципом в электростатике является постулат об электроне — элементарной частице, входящей в состав любого атома и легко отделяющейся от него под воздействием внешних сил. Помимо этого, действуют постулаты об отталкивании одноимённых зарядов и притягивании разноимённых.
Измерение электричества
Одним из первых измерительных приборов явился простейший электроскоп, изобретённый английским священником и физиком Абрахамом Беннетом — два листочка золотой электропроводной фольги, помещённые в стеклянную ёмкость. С тех пор измерительные приборы значительно эволюционировали — и теперь они могут измерять разницу в единицы нанокулон. С помощью особо точных физических инструментов, российский учёный Абрам Иоффе и американский физик Роберт Эндрюс Милликен сумели измерить электрический заряд электрона
Ныне, с развитием цифровых технологий, появились сверхчувствительные и высокоточные приборы с уникальными характеристиками, которые, благодаря высокому входному сопротивлению, почти не вносят искажений в измерения. Помимо измерения напряжения такие приборы позволяют измерять и другие важные характеристики электрический цепей, таких, как омическое сопротивление и протекающий ток в широком диапазоне измерений. Самые продвинутые приборы, называемые из-за их многофункциональности мультиметрами, или, на профессиональном жаргоне, тестерами, позволяют измерять также и частоту переменного тока, емкость конденсаторов и осуществлять проверку транзисторов и даже измерять температуру.
Как правило, современные приборы имеют встроенную защиту, не позволяющую вывести прибор из строя при неправильном применении. Они компактны, просты в обращении и абсолютно безопасны в работе — каждый из них проходит через ряд испытаний на точность, проверяется в тяжёлых режимах работы и заслужено получает сертификат безопасности.
ИсточникПреобразовать микрокулон в кулон (мкКл в Кл):
С помощью этого калькулятора можно ввести значение для конвертации вместе с исходной единицей измерения, например, ‘560 микрокулон’. При этом можно использовать либо полное название единицы измерения, либо ее аббревиатуруНапример, ‘микрокулон’ или ‘мкКл’.
После ввода единицы измерения, которую требуется преобразовать, калькулятор определяет ее категорию, в данном случае ‘Электрический заряд’. После этого он преобразует введенное значение во все соответствующие единицы измерения, которые ему известны. В списке результатов вы, несомненно, найдете нужное вам преобразованное значение.
Как вариант, преобразуемое значение можно ввести следующим образом: ’58 мкКл в Кл’ или ’14 мкКл сколько Кл’ или ’84 микрокулон -> кулон’ или ’13 мкКл = Кл’ или ’15 микрокулон в Кл’ или ’39 мкКл в кулон’ или ’39 микрокулон сколько кулон’. В этом случае калькулятор также сразу поймет, в какую единицу измерения нужно преобразовать исходное значение. Независимо от того, какой из этих вариантов используется, исключается необходимость сложного поиска нужного значения в длинных списках выбора с бесчисленными категориями и бесчисленным количеством поддерживаемых единиц измерения. Все это за нас делает калькулятор, который справляется со своей задачей за доли секунды.
Кроме того, калькулятор позволяет использовать математические формулы. В результате, во внимание принимаются не только числа, такие как ‘(3 * 7) мкКл’. Можно даже использовать несколько единиц измерения непосредственно в поле конверсии. Например, такое сочетание может выглядеть следующим образом: ‘560 микрокулон + 1680 кулон’ или ’85mm x 37cm x 53dm = ? cm^3′. Объединенные таким образом единицы измерения, естественно, должны соответствовать друг другу и иметь смысл в заданной комбинации.
Если поставить флажок рядом с опцией ‘Числа в научной записи’, то ответ будет представлен в виде экспоненциальной функции. Например, 2,071 261 215 719 4 × 10 26 . В этой форме представление числа разделяется на экспоненту, здесь 26, и фактическое число, здесь 2,071 261 215 719 4. В устройствах, которые обладают ограниченными возможностями отображения чисел (например, карманные калькуляторы), также используется способ записи чисел 2,071 261 215 719 4E+26.
В частности, он упрощает просмотр очень больших и очень маленьких чисел. Если в этой ячейке не установлен флажок, то результат отображается с использованием обычного способа записи чисел. В приведенном выше примере он будет выглядеть следующим образом: 207 126 121 571 940 000 000 000 000. Независимо от представления результата, максимальная точность этого калькулятора равна 14 знакам после запятой. Такой точности должно хватить для большинства целей.
ИсточникЧто такое единица измерения Кулон
Понятие электрического заряда является одним из основных при изучении электричества. Чтобы его измерять, необходима соответствующая единица измерения. Она называется кулон. Решение о введении такой единицы измерения было принято на Международном конгрессе электриков, прошедшем в Париже в 1881 году.
О единице измерения
Существует Международная система единиц измерения (СИ), в нее входят те из них, которые можно назвать основными. Это метр, секунда, килограмм и пр. Но есть и такие величины, которые выражают на основе базовых. Соответственно определяются и их единицы измерения. Кулон является одной из таких единиц, то есть, кулон — не основная единица измерения в системе (СИ).
Кулонами измеряют количество заряда. Единица получила свое название в честь французского ученого Шарля Кулона. Он в конце 19 века открыл закон, также названный его именем. Закон Кулона описывает взаимодействие двух неподвижных точечных зарядов. Он стал первым фундаментальным законом при изучении электричества и основой дальнейшего развития этой сферы науки.
Заряд и электрический ток
Об электричестве знали ещё в древние времена. Это явление обнаруживалось, например, при натирании стеклянной палочки шерстью. Но тогда нельзя было объяснить экспериментальные данные, так как не было известно об устройстве атомов, электронах, отсутствовали количественные физические законы в этой области знаний.
Учёные веками увлечённо исследовали явления, связанные с электричеством. Благодаря их научной изобретательности, большому количеству целенаправленных опытов удалось получить глубокое понимание природы электричества и точные формулировки физических законов.
Как известно, электрический ток является упорядоченным движением электрических зарядов. Сила тока представляет собой заряд, который проходит через определённое сечение за определенный отрезок времени.
Важно отметить, что любой заряд равен целому числу элементарных зарядов. В качестве последнего рассматривается заряд электрона. Если его выразить через единицы Международной системы измерений, то его величина будет равняться:
Наличие знаков плюс и минус указывает на то, что заряд может иметь положительное или отрицательное значение. В первом случае речь идёт о заряде протона — частице, входящей в состав атомного ядра. Со знаком минус указывается величина заряда электрона.
Обычно предполагается, что в каждом атоме имеется одинаковое количество протонов и электронов. Протоны являются частью ядра, а электроны вращаются вокруг него на различных орбитах. Те, которые расположены на последней, имеют непрочную связь со своим атомом и легко отрываются от него, совершая хаотичные движения.
Под действием электрического поля электроны начинают упорядоченно двигаться от отрицательной клеммы источника тока к положительной. Когда атом теряет электроны, он приобретает положительный заряд. Однако под действием электрополя атомы в твёрдом теле двигаться также энергично, как электроны не могут. В жидкости движение таких ионов может образовывать электрический ток.
Электрический заряд подчиняется закону сохранения. В замкнутой системе электрозаряд не может измениться количественно. Это правило действует практически всегда, но за одним исключением. Равные заряды противоположных знаков могут одновременно обнулиться. Однако при этом заряды просто будут перераспределены на микроуровне и никуда не исчезнут.
Определение
Кулон можно определить, исходя из понятия силы тока. Согласно формуле заряд равен произведению силы тока на время. Таким образом, можно получить определение кулона. Оно будет выглядеть следующим образом:
Для рассматриваемой единицы измерения на практике используются два обозначения: русское и международное. Первое — это «Кл», второе — «C».
Было выяснено, что в реальной жизни 1 Кулон представляет собой очень большую величину. Используя закон Кулона, можно утверждать, что два одноимённых заряда такой величины на расстоянии одного метра будут отталкиваться с силой 900 000 000 Ньютонов. Поэтому на практике обычно используют микрокулон, который представляет собой миллионную долю рассматриваемой величины. Также может применяться милликулон или другие дробные или кратные единицы, которые являются производными от рассматриваемой величины.
В Международную систему единиц измерений кулон был включён в 1960 году. Это решение было принято на 11 Генеральной конференции по мерам и весам. Чтобы знать, как правильно писать, необходимо помнить, что здесь применяются общие правила, относящиеся к единицам измерений, названным в честь выдающихся физиков. Если название встречается в тексте, то слово пишут, начиная с маленькой буквы (например, «кулон»). Если речь идёт о кратком обозначении, то используется заглавная (например, «Кл»).
Другие единицы измерения заряда
Кулон можно выразить как произведение ампера на секунду. На практике применяется похожая единица измерения — ампер-час.
Как известно, существует не только система измерений СИ, но и другие. В качестве примера можно привести СГС. В ней также имеется единица измерения заряда, которая называется франклин или статкулон. Их соотношение с кулоном можно выразить следующим образом:
Система СИ выглядит более привычно. Это связано с её большой распространённостью. СГС менее известна, однако она также применяется для проведения измерений. Поэтому важно знать, как определяется соотношение величин между ними.
Источник