Hukum Coulomb menjelaskan gaya interaksi. hukum Coulomb. Biaya poin. Kesimpulan dari hukum Coulomb

Hukum dasar interaksi muatan listrik ditemukan secara eksperimental oleh Charles Coulomb pada tahun 1785. Coulomb menemukan itu gaya interaksi antara dua bola logam kecil bermuatan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya antara keduanya dan bergantung pada besarnya muatan Dan :

,

Di mana -faktor proporsionalitas
.

Pasukan yang bertindak atas tuduhan, adalah pusat , yaitu diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan.


hukum Coulomb dapat dituliskan dalam bentuk vektor:
,

Di mana -sisi biaya ,

- vektor radius yang menghubungkan muatan dengan biaya ;

- modul vektor radius.

Paksa bertindak atas tuduhan itu dari luar sama dengan
,
.

Hukum Coulomb dalam bentuk ini

    adil hanya untuk interaksi muatan listrik titik, yaitu benda bermuatan yang dimensi liniernya dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak antara benda tersebut.

    mengungkapkan kekuatan interaksi antara muatan listrik stasioner, yaitu hukum elektrostatis.

Rumusan hukum Coulomb:

Gaya interaksi elektrostatis antara dua muatan listrik titik berbanding lurus dengan hasil kali besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya..

Faktor proporsionalitas dalam hukum Coulomb bergantung

    dari sifat-sifat lingkungan

    pemilihan satuan pengukuran besaran yang termasuk dalam rumus.

Itu sebabnya dapat diwakili oleh relasinya
,

Di mana -koefisien hanya bergantung pada pilihan sistem satuan pengukuran;

- besaran tak berdimensi yang mencirikan sifat listrik medium disebut konstanta dielektrik relatif medium . Itu tidak bergantung pada pilihan sistem satuan pengukuran dan sama dengan satu dalam ruang hampa.

Maka hukum Coulomb akan berbentuk:
,

untuk vakum
,

Kemudian
-konstanta dielektrik relatif suatu medium menunjukkan berapa kali gaya interaksi antara dua muatan listrik titik dalam suatu medium tertentu Dan , terletak pada jarak satu sama lain , kurang dari dalam ruang hampa.

Dalam sistem SI koefisien
, Dan

Hukum Coulomb mempunyai bentuk:
.

Ini notasi hukum yang dirasionalisasi K menangkap.

- konstanta listrik,
.

Dalam sistem SGSE
,
.

Dalam bentuk vektor, hukum Coulomb mengambil formulir

Di mana -vektor gaya yang bekerja pada muatan tersebut sisi biaya ,


- vektor radius yang menghubungkan muatan dengan biaya

R–modulus vektor radius .

Setiap benda bermuatan terdiri dari banyak muatan listrik titik, oleh karena itu gaya elektrostatis yang bekerja pada benda bermuatan lain sama dengan jumlah vektor gaya yang diterapkan pada semua muatan titik benda kedua dengan setiap muatan titik benda pertama.

1.3. Medan listrik. Ketegangan.

Ruang angkasa, dimana muatan listrik berada mempunyai muatan tertentu sifat fisik.

    Untuk berjaga-jaga lain muatan yang dimasukkan ke dalam ruang ini ditindaklanjuti oleh gaya elektrostatis Coulomb.

    Jika suatu gaya bekerja pada setiap titik dalam ruang, maka dikatakan ada medan gaya pada ruang tersebut.

    Bidang, bersama dengan materi, adalah suatu bentuk materi.

    Jika medan tersebut stasioner, yaitu tidak berubah seiring waktu, dan dihasilkan oleh muatan listrik yang tidak bergerak, maka medan tersebut disebut elektrostatis.

Elektrostatika hanya mempelajari medan elektrostatik dan interaksi muatan stasioner.

Untuk mengkarakterisasi medan listrik, konsep intensitas diperkenalkan . Keteganganyu pada setiap titik medan listrik disebut vektor , secara numerik sama dengan rasio gaya yang bekerja pada muatan positif uji yang ditempatkan pada suatu titik tertentu dan besar muatan ini, dan diarahkan ke arah gaya.

Biaya tes, yang dimasukkan ke dalam lapangan, diasumsikan sebagai muatan titik dan sering disebut muatan uji.

- Dia tidak berpartisipasi dalam penciptaan lapangan, yang diukur dengan bantuannya.

Diasumsikan bahwa biaya ini tidak mendistorsi bidang yang sedang dipelajari, Artinya, cukup kecil dan tidak menyebabkan redistribusi muatan yang menciptakan lapangan.

Jika pada biaya titik tes lapangan bertindak dengan paksa , lalu ketegangan
.

Unit ketegangan:

SI:

SSSE:

Dalam sistem SI ekspresi Untuk bidang biaya titik:

.

Dalam bentuk vektor:

Di Sini – vektor radius yang diambil dari muatan Q, membuat bidang pada titik tertentu.

T
dengan cara ini vektor kuat medan listrik suatu muatan titikQ di semua titik lapangan diarahkan secara radial(Gbr. 1.3)

- dari muatan, jika positif, “sumber”

- dan ke muatan jika negatif"mengeringkan"

Untuk interpretasi grafis medan listrik diperkenalkan konsep garis gaya ataugaris ketegangan . Ini

    melengkung , garis singgung di setiap titik yang berimpit dengan vektor tegangan.

    Saluran tegangan dimulai pada muatan positif dan berakhir pada muatan negatif.

    Garis tegangan tidak berpotongan, karena pada setiap titik medan vektor tegangan hanya mempunyai satu arah.

Seperti konsep massa gravitasi suatu benda dalam mekanika Newton, konsep muatan dalam elektrodinamika merupakan konsep dasar yang utama.

Muatan listrik adalah besaran fisis yang mencirikan sifat partikel atau benda untuk memasuki interaksi gaya elektromagnetik.

Muatan listrik biasanya dilambangkan dengan huruf Q atau Q.

Totalitas semua fakta eksperimental yang diketahui memungkinkan kita menarik kesimpulan berikut:

Ada dua jenis muatan listrik, yang secara konvensional disebut positif dan negatif.

Biaya dapat ditransfer (misalnya melalui kontak langsung) dari satu badan ke badan lainnya. Berbeda dengan massa suatu benda, muatan listrik bukanlah karakteristik integral suatu benda. Benda yang sama dalam kondisi berbeda dapat mempunyai muatan berbeda.

Muatan sejenis tolak menolak, muatan tak sejenis tarik menarik. Hal ini juga mengungkapkan perbedaan mendasar antara gaya elektromagnetik dan gaya gravitasi. Gaya gravitasi selalu merupakan gaya tarik menarik.

Salah satu hukum dasar alam ditetapkan secara eksperimental hukum kekekalan muatan listrik .

Dalam sistem terisolasi, jumlah aljabar muatan semua benda tetap:

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... +QN= konstanta.

Hukum kekekalan muatan listrik menyatakan bahwa dalam sistem benda tertutup, proses penciptaan atau hilangnya muatan yang hanya bertanda satu tidak dapat diamati.

Dari sudut pandang modern, pembawa muatan adalah partikel elementer. Semua benda biasa terdiri dari atom, yang meliputi proton bermuatan positif, elektron bermuatan negatif, dan partikel netral - neutron. Proton dan neutron merupakan bagian dari inti atom, elektron membentuk kulit elektron atom. Muatan listrik proton dan elektron sama besarnya dan sama dengan muatan dasar e.

Pada atom netral, jumlah proton dalam inti atom sama dengan jumlah elektron dalam kulitnya. Nomor ini dipanggil nomor atom . Sebuah atom suatu zat mungkin kehilangan satu atau lebih elektron atau memperoleh elektron tambahan. Dalam kasus ini, atom netral berubah menjadi ion bermuatan positif atau negatif.

Muatan dapat berpindah dari satu benda ke benda lain hanya dalam bagian yang mengandung bilangan bulat muatan dasar. Jadi, muatan listrik suatu benda merupakan besaran diskrit:

Besaran fisis yang hanya dapat mengambil serangkaian nilai diskrit disebut terkuantisasi . Biaya dasar e adalah kuantum (bagian terkecil) muatan listrik. Perlu dicatat bahwa dalam fisika modern partikel elementer diasumsikan adanya apa yang disebut quark - partikel dengan muatan pecahan dan Namun, quark belum diamati dalam keadaan bebas.

Dalam percobaan laboratorium umum, a elektrometer ( atau elektroskop) - alat yang terdiri dari batang logam dan penunjuk yang dapat berputar pada sumbu horizontal (Gbr. 1.1.1). Batang panah diisolasi dari badan logam. Ketika benda bermuatan bersentuhan dengan batang elektrometer, muatan listrik dengan tanda yang sama didistribusikan ke batang dan penunjuk. Gaya tolak-menolak listrik menyebabkan jarum berputar melalui sudut tertentu, yang dengannya seseorang dapat menilai muatan yang ditransfer ke batang elektrometer.

Elektrometer adalah instrumen yang agak kasar; itu tidak memungkinkan seseorang untuk mempelajari kekuatan interaksi antar muatan. Hukum interaksi muatan stasioner pertama kali ditemukan oleh fisikawan Perancis Charles Coulomb pada tahun 1785. Dalam eksperimennya, Coulomb mengukur gaya tarik-menarik dan tolak-menolak bola bermuatan menggunakan alat yang dirancangnya - keseimbangan torsi (Gbr. 1.1.2) , yang dibedakan dengan sensitivitas yang sangat tinggi. Misalnya, balok keseimbangan diputar 1° di bawah pengaruh gaya berorde 10 -9 N.

Gagasan pengukuran ini didasarkan pada tebakan brilian Coulomb bahwa jika bola bermuatan disentakkan dengan bola tak bermuatan yang sama, maka muatan bola pertama akan dibagi rata di antara keduanya. Oleh karena itu, suatu cara ditunjukkan untuk mengubah muatan bola sebanyak dua, tiga, dan seterusnya. Dalam percobaan Coulomb, interaksi antara bola-bola yang dimensinya jauh lebih kecil daripada jarak antar bola diukur. Benda bermuatan seperti itu biasanya disebut biaya poin.

Biaya poin disebut benda bermuatan, yang dimensinya dapat diabaikan dalam kondisi soal ini.

Berdasarkan berbagai eksperimen, Coulomb menetapkan hukum berikut:

Gaya interaksi antara muatan-muatan diam berbanding lurus dengan hasil kali modul muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya:

Gaya interaksi mematuhi hukum ketiga Newton:

Mereka adalah gaya tolak menolak dengan tanda muatan yang sama dan gaya tarik menarik dengan tanda berbeda (Gbr. 1.1.3). Interaksi muatan listrik yang diam disebut elektrostatis atau Coulomb interaksi. Cabang elektrodinamika yang mempelajari interaksi Coulomb disebut elektrostatika .

Hukum Coulomb berlaku untuk benda bermuatan titik. Dalam praktiknya, hukum Coulomb terpenuhi jika ukuran benda bermuatan jauh lebih kecil daripada jarak antar benda.

Faktor proporsionalitas k dalam hukum Coulomb bergantung pada pilihan sistem satuan. Dalam Sistem SI Internasional, satuan muatan dianggap liontin(Kl).

Liontin adalah muatan yang mengalir dalam waktu 1 s melalui penampang suatu penghantar dengan kuat arus 1 A. Satuan arus (Ampere) dalam SI adalah, beserta satuan panjang, waktu dan massa satuan dasar pengukuran.

Koefisien k dalam sistem SI biasanya ditulis sebagai:

Di mana - konstanta listrik .

Dalam sistem SI, muatan dasar e sama dengan:

Pengalaman menunjukkan bahwa gaya interaksi Coulomb mematuhi prinsip superposisi:

Jika suatu benda bermuatan berinteraksi secara bersamaan dengan beberapa benda bermuatan, maka gaya yang dihasilkan yang bekerja pada suatu benda sama dengan jumlah vektor gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut dari semua benda bermuatan lainnya.

Beras. 1.1.4 menjelaskan prinsip superposisi dengan menggunakan contoh interaksi elektrostatik tiga benda bermuatan.

Prinsip superposisi merupakan hukum alam yang mendasar. Namun, penggunaannya memerlukan kehati-hatian ketika kita berbicara tentang interaksi benda bermuatan dengan ukuran terbatas (misalnya, dua bola bermuatan 1 dan 2 yang menghantarkan). Jika bola bermuatan ketiga dimasukkan ke dalam sistem dua bola bermuatan, maka interaksi antara 1 dan 2 akan berubah karena redistribusi biaya.

Prinsip superposisi menyatakan bahwa kapan distribusi muatan yang diberikan (tetap). pada semua benda, gaya interaksi elektrostatis antara dua benda tidak bergantung pada keberadaan benda bermuatan lainnya.

Pada pembelajaran kali ini yang topiknya adalah “Hukum Coulomb”, kita akan membahas tentang hukum Coulomb itu sendiri, apa itu muatan titik, dan untuk memantapkan materi, kita akan menyelesaikan beberapa masalah pada topik ini.

Topik pelajaran: “Hukum Coulomb.” Hukum Coulomb secara kuantitatif menggambarkan interaksi muatan titik stasioner - yaitu muatan yang berada dalam posisi statis relatif satu sama lain. Interaksi ini disebut elektrostatik atau listrik dan merupakan bagian dari interaksi elektromagnetik.

Interaksi elektromagnetik

Tentu saja, jika muatan bergerak, mereka juga berinteraksi. Interaksi ini disebut magnet dan dijelaskan dalam bagian fisika yang disebut “Magnet”.

Perlu dipahami bahwa “elektrostatika” dan “magnetisme” adalah model fisik, dan bersama-sama keduanya menggambarkan interaksi muatan bergerak dan muatan diam relatif satu sama lain. Dan secara keseluruhan ini disebut interaksi elektromagnetik.

Interaksi elektromagnetik merupakan salah satu dari empat interaksi mendasar yang ada di alam.

Muatan listrik

Apa itu muatan listrik? Definisi dalam buku teks dan Internet memberi tahu kita bahwa muatan adalah besaran skalar yang mencirikan intensitas interaksi elektromagnetik benda. Artinya, interaksi elektromagnetik adalah interaksi muatan, dan muatan adalah besaran yang menjadi ciri interaksi elektromagnetik. Kedengarannya membingungkan - kedua konsep tersebut didefinisikan satu sama lain. Mari kita cari tahu!

Adanya interaksi elektromagnetik merupakan fakta alami, seperti aksioma dalam matematika. Orang-orang memperhatikannya dan belajar mendeskripsikannya. Untuk melakukan ini, mereka memperkenalkan besaran-besaran yang sesuai yang menjadi ciri fenomena ini (termasuk muatan listrik) dan membangun model matematika (rumus, hukum, dll.) yang menggambarkan interaksi ini.

hukum Coulomb

Hukum Coulomb terlihat seperti ini:

Gaya interaksi antara dua muatan listrik titik diam dalam ruang hampa berbanding lurus dengan hasil kali modulusnya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya. Arahnya sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan, dan merupakan gaya tarik menarik jika muatan-muatannya berlawanan, dan gaya tolak menolak jika muatan-muatannya sejenis.

Koefisien k dalam hukum Coulomb secara numerik sama dengan:

Analogi dengan interaksi gravitasi

Hukum gravitasi universal menyatakan: semua benda bermassa saling tarik menarik satu sama lain. Interaksi ini disebut gravitasi. Misalnya, gaya gravitasi yang membuat kita tertarik ke Bumi adalah kasus khusus interaksi gravitasi. Bagaimanapun, kita dan bumi mempunyai massa. Gaya interaksi gravitasi berbanding lurus dengan hasil kali massa benda-benda yang berinteraksi dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.

Koefisien γ disebut konstanta gravitasi.

Secara numerik sama dengan: .

Seperti yang Anda lihat, jenis ekspresi yang menggambarkan interaksi gravitasi dan elektrostatik secara kuantitatif sangat mirip.

Pembilang kedua ekspresi adalah produk dari unit yang mengkarakterisasi jenis interaksi ini. Untuk gravitasi - ini adalah massa, untuk muatan elektromagnetik. Penyebut kedua ekspresi tersebut adalah kuadrat jarak antara objek interaksi.

Hubungan terbalik dengan kuadrat jarak sering ditemukan dalam banyak hukum fisika. Hal ini memungkinkan kita untuk berbicara tentang pola umum yang menghubungkan besarnya efek dengan kuadrat jarak antara objek interaksi.

Proporsionalitas ini berlaku untuk interaksi gravitasi, listrik, magnet, gaya suara, cahaya, radiasi, dll.

Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa luas permukaan bola distribusi efek meningkat sebanding dengan kuadrat jari-jarinya (lihat Gambar 1).

Beras. 1. Memperbesar luas permukaan bola

Ini akan terlihat wajar jika Anda ingat bahwa luas bola sebanding dengan kuadrat jari-jarinya:

Secara fisis, ini berarti gaya interaksi antara dua muatan titik stasioner sebesar 1 C, yang terletak pada jarak 1 m satu sama lain dalam ruang hampa, akan sama dengan 9·10 9 N (lihat Gambar 2).

Beras. 2. Gaya interaksi dua muatan titik sebesar 1 C

Tampaknya kekuatan ini sangat besar. Tetapi perlu dipahami bahwa urutannya dikaitkan dengan karakteristik lain - jumlah biaya 1 C. Dalam praktiknya, benda bermuatan yang berinteraksi dengan kita dalam kehidupan sehari-hari memiliki muatan sekitar mikro atau bahkan nanocoulomb.

Koefisiendan konstanta listrik

Kadang-kadang, alih-alih koefisien, digunakan konstanta lain yang mencirikan interaksi elektrostatis, yang disebut “konstanta listrik”. Hal ini ditunjuk. Hal ini terkait dengan koefisien sebagai berikut:

Dengan melakukan transformasi matematika sederhana, Anda dapat menyatakan dan menghitungnya:

Kedua konstanta tersebut tentu saja ada dalam tabel buku soal. Maka hukum Coulomb akan berbentuk sebagai berikut:

Mari kita perhatikan beberapa poin halus.

Penting untuk dipahami bahwa kita berbicara tentang interaksi. Artinya, jika kita mengambil dua muatan, maka masing-masing muatan akan bekerja satu sama lain dengan gaya yang sama besarnya. Gaya-gaya ini akan diarahkan ke arah yang berlawanan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan titik.

Muatan akan tolak-menolak jika bertanda sama (positif atau keduanya negatif (lihat Gambar 3)), dan tarik menarik jika berbeda tanda (yang satu negatif, yang lain positif (lihat Gambar 4)).

Beras. 3. Interaksi muatan sejenis

Beras. 4. Interaksi muatan yang berbeda

Biaya poin

Rumusan hukum Coulomb mengandung istilah “muatan titik”. Apa artinya ini? Mari kita ingat mekanismenya. Saat mempelajari, misalnya, pergerakan kereta api antar kota, kita mengabaikan ukurannya. Bagaimanapun, ukuran kereta api ratusan atau ribuan kali lebih kecil dari jarak antar kota (lihat Gambar 5). Dalam masalah ini kami mempertimbangkan kereta api "titik material" - suatu benda yang dimensinya dapat kita abaikan dalam kerangka penyelesaian masalah tertentu.

Beras. 5. Dalam hal ini, kita mengabaikan dimensi kereta api

Jadi, muatan titik adalah titik materi yang mempunyai muatan. Dalam praktiknya, dengan menggunakan hukum Coulomb, kita mengabaikan ukuran benda bermuatan dibandingkan dengan jarak antar benda. Jika ukuran benda bermuatan sebanding dengan jarak antara keduanya, maka karena redistribusi muatan di dalam benda, interaksi elektrostatis akan menjadi lebih kompleks.

Pada titik-titik segi enam beraturan yang memiliki sisi, muatan ditempatkan satu demi satu. Temukan gaya yang bekerja pada muatan yang terletak di tengah segi enam (lihat Gambar 6).

Beras. 6. Menggambar untuk kondisi tugas 1

Coba kita pikirkan: muatan yang terletak di tengah segi enam akan berinteraksi dengan masing-masing muatan yang terletak di titik sudut segi enam. Tergantung pada tandanya, ini akan menjadi gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak. Jika muatan 1, 2, dan 3 positif, maka muatan di pusat akan mengalami tolakan elektrostatis (lihat Gambar 7).

Beras. 7. Tolakan elektrostatik

Dan dengan muatan 4, 5 dan 6 (negatif), muatan di pusat akan mempunyai gaya tarik elektrostatis (lihat Gambar 8).

Beras. 8. Tarik-menarik elektrostatis

Gaya total yang bekerja pada muatan yang terletak di tengah segi enam adalah resultan gaya-gaya ,,,, dan, yang modulusnya masing-masing dapat dicari dengan menggunakan hukum Coulomb. Mari kita mulai menyelesaikan masalahnya.

Larutan

Kekuatan interaksi antara muatan yang terletak di pusat dan masing-masing muatan di simpul bergantung pada modul muatan itu sendiri dan jarak di antara keduanya. Jarak dari simpul ke pusat segi enam beraturan adalah sama, modul muatan yang berinteraksi dalam kasus kita juga sama (lihat Gambar 9).

Beras. 9. Jarak titik sudut ke pusat segi enam beraturan adalah sama

Artinya semua gaya interaksi antara muatan di pusat segi enam dan muatan di titik sudutnya akan sama besarnya. Dengan menggunakan hukum Coulomb, kita dapat mencari modul ini:

Jarak pusat ke titik sudut pada segi enam beraturan sama dengan panjang sisi segi enam beraturan, yang kita ketahui dari syarat, oleh karena itu:

Sekarang kita perlu mencari jumlah vektor - untuk ini kita memilih sistem koordinat: sumbunya sepanjang gaya, dan sumbunya tegak lurus (lihat Gambar 10).

Beras. 10. Pemilihan sumbu

Mari kita cari total proyeksi pada sumbu - mari kita nyatakan modul masing-masing proyeksi tersebut.

Karena gaya-gaya tersebut searah dengan sumbu dan membentuk sudut terhadap sumbu (lihat Gambar 11).

Mari lakukan hal yang sama untuk sumbu:

Tanda “-” disebabkan karena gaya-gaya diarahkan berlawanan arah sumbu. Artinya, proyeksi gaya total pada sumbu yang kita pilih akan sama dengan 0. Ternyata gaya total hanya akan bekerja sepanjang sumbu; yang tersisa hanyalah mengganti ekspresi modulus di sini; kekuatan interaksi dan dapatkan jawabannya. Gaya totalnya akan sama dengan:

Masalahnya terpecahkan.

Hal halus lainnya adalah: Hukum Coulomb mengatakan bahwa muatan berada dalam ruang hampa (lihat Gambar 12).

Beras. 12. Interaksi muatan dalam ruang hampa

Ini adalah catatan yang sangat penting. Karena pada lingkungan selain vakum, gaya interaksi elektrostatis akan melemah (lihat Gambar 13).

Beras. 13. Interaksi muatan dalam medium selain vakum

Untuk mempertimbangkan faktor ini, nilai khusus diperkenalkan ke dalam model elektrostatika, yang memungkinkan seseorang melakukan “koreksi terhadap lingkungan”. Ini disebut konstanta dielektrik medium. Ini dilambangkan, seperti konstanta listrik, dengan huruf Yunani “epsilon”, tetapi tanpa indeks.

Arti fisis dari besaran ini adalah sebagai berikut.

Gaya interaksi elektrostatik antara dua muatan titik stasioner dalam medium selain ruang hampa akan ε kali lebih kecil dari gaya interaksi muatan yang sama pada jarak yang sama dalam ruang hampa.

Jadi, dalam media selain ruang hampa, gaya interaksi elektrostatis antara dua muatan titik stasioner akan sama dengan:

Nilai konstanta dielektrik berbagai zat telah lama ditemukan dan dikumpulkan dalam tabel khusus (lihat Gambar 14).

Beras. 14. Konstanta dielektrik beberapa zat

Kita dapat dengan bebas menggunakan nilai tabulasi konstanta dielektrik zat yang kita perlukan saat menyelesaikan masalah.

Penting untuk dipahami bahwa ketika memecahkan masalah, gaya interaksi elektrostatik dianggap dan dijelaskan dalam persamaan dinamika sebagai gaya biasa. Mari kita selesaikan masalahnya.

Dua buah bola bermuatan identik digantungkan pada suatu medium yang mempunyai konstanta dielektrik pada benang-benang yang panjangnya sama dan diikat pada satu titik. Tentukan modulus muatan bola jika benang-benang tersebut tegak lurus satu sama lain (lihat Gambar 15). Ukuran bola dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak antar bola. Massa bola-bola tersebut sama besar.


Beras. 15. Menggambar untuk soal 2

Mari kita pikirkan: tiga gaya akan bekerja pada masing-masing bola - gravitasi; gaya interaksi elektrostatis dan gaya tegangan benang (lihat Gambar 16).

Beras. 16. Gaya-gaya yang bekerja pada bola

Syaratnya, bola-bola tersebut identik, yaitu muatannya sama besar dan tandanya, yang berarti bahwa gaya interaksi elektrostatis dalam hal ini akan menjadi gaya tolak menolak (pada Gambar 16, gaya interaksi elektrostatis diarahkan. dalam arah yang berbeda). Karena sistem berada dalam kesetimbangan, kita akan menggunakan hukum pertama Newton:

Karena syaratnya adalah bola-bola digantung dalam medium dengan konstanta dielektrik , dan ukuran bola dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak antara bola-bola tersebut, maka sesuai dengan hukum Coulomb, gaya tolak-menolak bola akan sama. ke:

Larutan

Mari kita tuliskan hukum pertama Newton dalam proyeksi pada sumbu koordinat. Mari kita arahkan sumbu secara horizontal dan sumbu vertikal (lihat Gambar 17).

YouTube ensiklopedis

    1 / 5

    ✪ Pelajaran 213. Muatan listrik dan interaksinya. hukum Coulomb

    ✪ kelas 8 - 106. Hukum Coulomb

    ✪ Hukum Coulomb

    ✪ pemecahan masalah HUKUM COULLOMB fisika

    ✪ Pelajaran 215. Soal hukum Coulomb - 1

    Subtitle

Formulasi

Gaya interaksi antara dua muatan titik dalam ruang hampa diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan tersebut, sebanding dengan besarnya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya. Gaya tarik-menarik jika tanda-tanda muatannya berbeda, dan gaya tolak menolak jika tanda-tanda muatannya sama.

Penting untuk dicatat bahwa agar undang-undang itu benar, perlu:

  1. Sifat muatannya, yaitu jarak antar benda bermuatan harus jauh lebih besar daripada ukurannya. Akan tetapi dapat dibuktikan bahwa gaya interaksi antara dua muatan yang terdistribusi secara volumetrik dengan distribusi spasial yang tidak berpotongan simetris bola sama dengan gaya interaksi antara dua muatan titik ekivalen yang terletak pada pusat simetri bola;
  2. Imobilitas mereka. Jika tidak, efek tambahan akan berlaku: medan magnet dari muatan bergerak dan gaya Lorentz tambahan yang bekerja pada muatan bergerak lainnya;
  3. Susunan muatan dalam ruang hampa.

Namun dengan beberapa penyesuaian, undang-undang tersebut juga berlaku untuk interaksi muatan dalam suatu medium dan untuk muatan yang bergerak.

Dalam bentuk vektor dalam rumusan C. Coulomb dituliskan hukumnya sebagai berikut:

F → 12 = k ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 2 ⋅ r → 12 r 12 , (\displaystyle (\vec (F))_(12)=k\cdot (\frac (q_(1)\cdot q_ (2))(r_(12)^(2)))\cdot (\frac ((\vec (r))_(12))(r_(12))),)

Di mana F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12))- gaya yang digunakan muatan 1 untuk bekerja pada muatan 2; q 1 , q 2 (\displaystyle q_(1),q_(2))- besarnya biaya; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- vektor jari-jari (vektor yang diarahkan dari muatan 1 ke muatan 2, dan sama, dalam nilai absolut, dengan jarak antar muatan - r 12 (\gaya tampilan r_(12))); k (\gaya tampilan k)- koefisien proporsionalitas.

Koefisien k

k = 1ε. (\displaystyle k=(\frac (1)(\varepsilon )).)

k = 1 4 π ε ε 0 .

(\displaystyle k=(\frac (1)(4\pi \varepsilon \varepsilon _(0))).)

Hukum Coulomb dalam mekanika kuantum

Hukum Coulomb dari sudut pandang elektrodinamika kuantum

Cerita

Untuk pertama kalinya, G.V. Richman mengusulkan untuk mempelajari secara eksperimental hukum interaksi benda bermuatan listrik pada tahun 1752-1753. Dia bermaksud menggunakan elektrometer “penunjuk” yang dia rancang untuk tujuan ini. Implementasi rencana ini dicegah oleh kematian tragis Richman.

Sekitar 11 tahun sebelum Coulomb, pada tahun 1771, hukum interaksi muatan ditemukan secara eksperimental oleh G. Cavendish, namun hasilnya tidak dipublikasikan dan tetap tidak diketahui untuk waktu yang lama (lebih dari 100 tahun). Naskah Cavendish baru dipresentasikan kepada D.C. Maxwell pada tahun 1874 oleh salah satu keturunan Cavendish pada peresmian Laboratorium Cavendish dan diterbitkan pada tahun 1879.

Coulomb sendiri mempelajari torsi benang dan menemukan keseimbangan torsi. Dia menemukan hukumnya dengan menggunakannya untuk mengukur gaya interaksi bola bermuatan.

Hukum Coulomb, prinsip superposisi dan persamaan Maxwell R Derajat keakuratan hukum Coulomb

Eksperimen semacam itu pertama kali dilakukan oleh Cavendish dan diulangi oleh Maxwell dalam bentuk yang lebih baik, sehingga memperoleh selisih maksimum antara eksponen dan pangkat dua nilai. 1 21600 (\displaystyle (\frac (1)(21600)))

Eksperimen yang dilakukan pada tahun 1971 di AS oleh E.R. Williams, D.E. Voller dan G.A. Hill menunjukkan bahwa eksponen dalam hukum Coulomb sama dengan 2, akurat hingga (3, 1 ± 2, 7) × 10 − 16 (\displaystyle (3,1\pm 2,7)\kali 10^(-16)) .

Untuk menguji keakuratan hukum Coulomb pada jarak intra-atom, W. Yu. Lamb dan R. Rutherford pada tahun 1947 menggunakan pengukuran posisi relatif tingkat energi hidrogen. Ditemukan bahwa bahkan pada jarak orde atom 10 −8 cm, eksponen dalam hukum Coulomb berbeda dari 2 tidak lebih dari 10 −9.

Koefisien k (\gaya tampilan k) dalam hukum Coulomb tetap konstan dengan ketelitian 15⋅10 −6.

Amandemen hukum Coulomb dalam elektrodinamika kuantum

Pada jarak pendek (sesuai urutan panjang gelombang elektron Compton, λ e = ℏ m e c (\displaystyle \lambda _(e)=(\tfrac (\hbar )(m_(e)c)))≈3,86⋅10 −13 m, dimana saya (\displaystyle m_(e))- massa elektron, ℏ (\displaystyle \hbar )- Konstanta Planck, c (\gaya tampilan c)- kecepatan cahaya) efek nonlinier elektrodinamika kuantum menjadi signifikan: pertukaran foton virtual ditumpangkan pada pembentukan pasangan elektron-positron virtual (serta muon-antimuon dan taon-antitaon), dan pengaruh penyaringan berkurang ( lihat renormalisasi). Kedua efek tersebut menyebabkan munculnya suku pesanan yang menurun secara eksponensial e − 2 r / λ e (\displaystyle e^(-2r/\lambda _(e))) dalam ekspresi energi potensial interaksi muatan dan, sebagai akibatnya, peningkatan gaya interaksi dibandingkan dengan yang dihitung menurut hukum Coulomb.

Φ (r) = Q r ⋅ (1 + α 4 π e − 2 r / λ e (r / λ e) 3 / 2) , (\displaystyle \Phi (r)=(\frac (Q)(r) )\cdot \left(1+(\frac (\alpha )(4(\sqrt (\pi ))))(\frac (e^(-2r/\lambda _(e)))((r/\ lambda _(e))^(3/2)))\kanan),)

Di mana λ e (\displaystyle \lambda _(e))- Panjang gelombang Compton elektron, α = e 2 ℏ c (\displaystyle \alpha =(\tfrac (e^(2))(\hbar c)))- konstanta struktur halus dan r ≫ λ e (\displaystyle r\gg \lambda _(e)).

Pada jarak pesanan λ W = ℏ m w c (\displaystyle \lambda _(W)=(\tfrac (\hbar )(m_(w)c)))~ 10 −18 m, dimana m w (\gaya tampilan m_(w))- massa W-boson, efek elektrolemah ikut berperan.

Dalam medan elektromagnetik eksternal yang kuat, merupakan bagian nyata dari medan penguraian vakum (berurutan m e c 2 e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c^(2))(e\lambda _(e))))~10 18 V/m atau m e c e λ e (\displaystyle (\tfrac (m_(e)c)(e\lambda _(e))))~10 9 T, medan seperti itu diamati, misalnya, di dekat beberapa jenis bintang neutron, yaitu magnetar), hukum Coulomb juga dilanggar karena hamburan foton pertukaran Delbrück pada foton medan eksternal dan efek nonlinier lainnya yang lebih kompleks. Fenomena ini mengurangi gaya Coulomb tidak hanya pada skala mikro tetapi juga pada skala makro khususnya, dalam medan magnet yang kuat, potensial Coulomb tidak turun berbanding terbalik dengan jarak, tetapi secara eksponensial;

Hukum Coulomb dan polarisasi vakum

Hukum Coulomb dan inti superberat

Pentingnya hukum Coulomb dalam sejarah ilmu pengetahuan

Hukum Coulomb adalah hukum dasar kuantitatif dan dirumuskan secara matematis yang pertama kali ditemukan untuk fenomena elektromagnetik. Penemuan hukum Coulomb mengawali ilmu elektromagnetisme modern.

Lihat juga

Tautan

  • Hukum Coulomb (video pelajaran, program kelas 10)

Catatan

  1. Sivukhin D.V. Kursus fisika umum. - M.: Fizmatlit; Penerbitan MIPT, 2004. - T.III. Listrik. - Hal.17. - 656 hal. - ISBN 5-9221-0227-3.
  2. Landau L. D., Lifshits E. M.Fisika teoretis: Buku Teks. 

manual: untuk universitas. 

V 10 t . T.2 Teori lapangan. - Edisi ke-8, stereot. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 hal. -

Hukum

Hukum Coulomb Modulus gaya interaksi antara dua muatan titik dalam ruang hampa berbanding lurus dengan hasil kali modulus muatan-muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya. Jika tidak: Dua titik masuk

    kekosongan bekerja satu sama lain dengan gaya-gaya yang sebanding dengan hasil kali modulus muatan-muatan ini, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya dan diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan ini. Gaya-gaya ini disebut elektrostatis (Coulomb). imobilitas mereka. Jika tidak, efek tambahan akan berlaku: medan magnet biaya bergerak dan tambahan yang sesuai

    gaya Lorentz Modulus gaya interaksi antara dua muatan titik dalam ruang hampa berbanding lurus dengan hasil kali modulus muatan-muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya..

, bekerja pada muatan bergerak lainnya;

interaksi di di mana gaya yang digunakan muatan 1 untuk bekerja pada muatan 2; - besarnya biaya; - vektor radius (vektor yang diarahkan dari muatan 1 ke muatan 2, dan sama, dalam nilai absolut, dengan jarak antar muatan - ); - koefisien proporsionalitas. Jadi, hukum menunjukkan bahwa muatan sejenis akan tolak menolak (muatan sejenis akan tarik menarik). DI DALAM muatan dipilih sedemikian rupa sehingga koefisiennya k sama dengan satu.

interaksi di Sistem Satuan Internasional (SI) salah satu satuan dasar adalah satuan kekuatan arus listrik amper, dan satuan muatannya adalah liontin- turunannya. Nilai ampere ditentukan sedemikian rupa sehingga k= c2·10−7 Gn/m = 8,9875517873681764 109 N m2/ Kl 2 (atau F−1 m). Koefisien SI k ditulis sebagai:

dimana ≈ 8.854187817·10−12 F/m - konstanta listrik.

Hukum Coulomb adalah:

hukum Coulomb Untuk hukum gesekan kering, lihat Hukum Amonton-Coulomb Magnetostatika Elektrodinamika Rangkaian listrik Formulasi kovarian Ilmuwan terkenal

V 10 t . T.2 Teori lapangan. - Edisi ke-8, stereot. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 hal. - adalah hukum yang menggambarkan gaya interaksi antara muatan listrik titik.

Ditemukan oleh Charles Coulomb pada tahun 1785. Setelah melakukan banyak percobaan dengan bola logam, Charles Coulomb memberikan rumusan hukum sebagai berikut:

Modulus gaya interaksi antara dua muatan titik dalam ruang hampa berbanding lurus dengan hasil kali modulus muatan-muatan tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.

Jika tidak: Dua muatan titik dalam ruang hampa bekerja satu sama lain dengan gaya yang sebanding dengan hasil kali modulus muatan-muatan tersebut, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya dan diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan tersebut. Gaya-gaya ini disebut elektrostatis (Coulomb).

Penting untuk dicatat bahwa agar undang-undang itu benar, perlu:

  1. muatan seperti titik - yaitu, jarak antara benda bermuatan jauh lebih besar daripada ukurannya - namun, dapat dibuktikan bahwa gaya interaksi dua muatan yang terdistribusi secara volumetrik dengan distribusi spasial yang simetris bola dan tidak berpotongan sama dengan gaya interaksi dua muatan titik setara yang terletak di pusat simetri bola;
  2. imobilitas mereka. Jika tidak, efek tambahan akan berlaku: medan magnet dari muatan bergerak dan gaya Lorentz tambahan yang bekerja pada muatan bergerak lainnya;
  3. interaksi dalam ruang hampa.

Namun dengan beberapa penyesuaian, undang-undang tersebut juga berlaku untuk interaksi muatan dalam suatu medium dan untuk muatan yang bergerak.

Dalam bentuk vektor dalam rumusan C. Coulomb dituliskan hukumnya sebagai berikut:

di mana gaya yang digunakan muatan 1 untuk bekerja pada muatan 2; - besarnya biaya; - vektor jari-jari (vektor yang diarahkan dari muatan 1 ke muatan 2, dan sama, dalam nilai absolut, dengan jarak antar muatan -); - koefisien proporsionalitas. Jadi, hukum menunjukkan bahwa muatan sejenis akan tolak menolak (muatan sejenis akan tarik menarik).

Koefisien k

Dalam SGSE, satuan pengukuran muatan dipilih sedemikian rupa sehingga koefisiennya k sama dengan satu.

Dalam Satuan Sistem Internasional (SI), salah satu satuan dasarnya adalah satuan arus listrik, ampere, dan satuan muatan, coulomb, merupakan turunannya. Nilai ampere ditentukan sedemikian rupa sehingga k= c2·10-7 H/m = 8,9875517873681764·109 N·m2/Cl2 (atau Ф−1·m). Koefisien SI k ditulis sebagai:

dimana ≈ 8.854187817·10−12 F/m adalah konstanta listrik.

Dalam zat isotropik homogen, konstanta dielektrik relatif medium ε ditambahkan ke penyebut rumusnya.

Hukum Coulomb dalam mekanika kuantum

Dalam mekanika kuantum, hukum Coulomb dirumuskan tidak menggunakan konsep gaya seperti dalam mekanika klasik, tetapi menggunakan konsep energi potensial interaksi Coulomb. Jika sistem yang dibahas dalam mekanika kuantum mengandung partikel bermuatan listrik, suku ditambahkan ke operator Hamilton sistem, yang menyatakan energi potensial interaksi Coulomb, seperti yang dihitung dalam mekanika klasik.

Jadi, operator Hamilton untuk sebuah atom bermuatan nuklir Z memiliki bentuk:

Di Sini M- massa elektron, e adalah muatannya, adalah nilai absolut dari vektor jari-jari J elektron ke, . Suku pertama menyatakan energi kinetik elektron, suku kedua menyatakan energi potensial interaksi Coulomb elektron dengan inti, dan suku ketiga menyatakan energi potensial Coulomb dari tolakan timbal balik elektron. Penjumlahan suku pertama dan suku kedua dilakukan terhadap seluruh N elektron. Pada suku ketiga, penjumlahan terjadi pada semua pasangan elektron, dan setiap pasangan terjadi satu kali.

Hukum Coulomb dari sudut pandang elektrodinamika kuantum

Menurut elektrodinamika kuantum, interaksi elektromagnetik partikel bermuatan terjadi melalui pertukaran foton maya antar partikel. Prinsip ketidakpastian waktu dan energi memungkinkan adanya foton maya pada waktu antara momen emisi dan penyerapannya. Semakin kecil jarak antara partikel bermuatan, semakin sedikit waktu yang dibutuhkan foton maya untuk mengatasi jarak ini dan, oleh karena itu, semakin besar energi foton maya yang diperbolehkan oleh prinsip ketidakpastian. Pada jarak kecil antar muatan, prinsip ketidakpastian memungkinkan pertukaran foton gelombang panjang dan pendek, dan pada jarak jauh hanya foton gelombang panjang yang berpartisipasi dalam pertukaran tersebut. Jadi, dengan menggunakan elektrodinamika kuantum, hukum Coulomb dapat diturunkan.

Cerita

Untuk pertama kalinya, G.V. Richman mengusulkan untuk mempelajari secara eksperimental hukum interaksi benda bermuatan listrik pada tahun 1752-1753. Dia bermaksud menggunakan elektrometer “penunjuk” yang dia rancang untuk tujuan ini. Implementasi rencana ini dicegah oleh kematian tragis Richman.

Pada tahun 1759, F. Epinus, seorang profesor fisika di Akademi Ilmu Pengetahuan St. Petersburg, yang mengambil alih kursi Richmann setelah kematiannya, pertama kali menyarankan bahwa interaksi muatan harus berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Pada tahun 1760, muncul pesan singkat bahwa D. Bernoulli di Basel telah menetapkan hukum kuadrat dengan menggunakan elektrometer yang dirancangnya. Pada tahun 1767, Priestley mencatat dalam History of Electricity-nya bahwa eksperimen Franklin dalam menemukan tidak adanya medan listrik di dalam bola logam bermuatan mungkin berarti bahwa "tarikan listrik mengikuti hukum yang sama persis dengan gravitasi, yaitu kuadrat jarak". Fisikawan Skotlandia John Robison mengklaim (1822) telah menemukan pada tahun 1769 bahwa bola-bola dengan muatan listrik yang sama tolak-menolak dengan gaya yang berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara bola-bola tersebut, dan dengan demikian mengantisipasi penemuan hukum Coulomb (1785).

Sekitar 11 tahun sebelum Coulomb, pada tahun 1771, hukum interaksi muatan ditemukan secara eksperimental oleh G. Cavendish, namun hasilnya tidak dipublikasikan dan tetap tidak diketahui untuk waktu yang lama (lebih dari 100 tahun). Naskah Cavendish baru dipresentasikan kepada D.C. Maxwell pada tahun 1874 oleh salah satu keturunan Cavendish pada peresmian Laboratorium Cavendish dan diterbitkan pada tahun 1879.

Coulomb sendiri mempelajari torsi benang dan menemukan keseimbangan torsi. Dia menemukan hukumnya dengan menggunakannya untuk mengukur gaya interaksi bola bermuatan.

Hukum Coulomb, prinsip superposisi dan persamaan Maxwell

Hukum Coulomb dan prinsip superposisi medan listrik sepenuhnya setara dengan persamaan Maxwell untuk elektrostatika dan. Artinya, hukum Coulomb dan prinsip superposisi medan listrik terpenuhi jika dan hanya jika persamaan Maxwell untuk elektrostatis terpenuhi dan, sebaliknya, persamaan Maxwell untuk elektrostatika terpenuhi jika dan hanya jika hukum Coulomb dan prinsip superposisi medan listrik terpenuhi.

Derajat keakuratan hukum Coulomb

Hukum Coulomb, prinsip superposisi dan persamaan Maxwell R dalam hukum 2. Untuk mencari perbedaan ini, kita menggunakan fakta bahwa jika daya sama persis dengan dua, maka tidak ada medan di dalam rongga pada konduktor, apapun bentuk rongga atau konduktor tersebut.

Eksperimen yang dilakukan pada tahun 1971 di AS oleh E.R. Williams, D.E. Voller dan G.A. Hill menunjukkan bahwa eksponen dalam hukum Coulomb sama dengan 2 dalam .

Untuk menguji keakuratan hukum Coulomb pada jarak intra-atom, W. Yu. Lamb dan R. Rutherford pada tahun 1947 menggunakan pengukuran posisi relatif tingkat energi hidrogen. Ditemukan bahwa bahkan pada jarak orde atom 10−8 cm, eksponen dalam hukum Coulomb berbeda dari 2 tidak lebih dari 10−9.

Koefisien dalam hukum Coulomb tetap konstan dengan ketelitian 15·10−6.

Amandemen hukum Coulomb dalam elektrodinamika kuantum

Pada jarak pendek (dalam urutan panjang gelombang elektron Compton, ≈3,86·10−13 m, di mana adalah massa elektron, adalah konstanta Planck, adalah kecepatan cahaya), efek nonlinier elektrodinamika kuantum menjadi signifikan: pertukaran foton virtual ditumpangkan pada pembentukan pasangan elektron-positron virtual (dan juga muon-antimuon dan taon-antitaon), dan pengaruh penyaringan berkurang (lihat renormalisasi). Kedua efek tersebut menyebabkan munculnya suku-suku orde yang menurun secara eksponensial dalam ekspresi energi potensial interaksi muatan dan, sebagai akibatnya, peningkatan gaya interaksi dibandingkan dengan yang dihitung menurut hukum Coulomb. Misalnya, ekspresi potensi muatan titik dalam sistem SGS, dengan mempertimbangkan koreksi radiasi orde pertama, berbentuk:

dimana adalah panjang gelombang Compton elektron, adalah konstanta struktur halus dan. Pada jarak ~ 10−18 m, di mana massa boson W, efek elektrolemah mulai berlaku.

Dalam medan elektromagnetik eksternal yang kuat, yang merupakan sebagian kecil dari medan penguraian vakum (dengan urutan ~1018 V/m atau ~109 Tesla, medan tersebut diamati, misalnya, di dekat beberapa jenis bintang neutron, yaitu magnetar), medan Coulomb hukum juga dilanggar karena hamburan foton pertukaran Delbrück pada foton medan luar dan efek nonlinier lainnya yang lebih kompleks. Fenomena ini mengurangi gaya Coulomb tidak hanya pada skala mikro tetapi juga pada skala makro khususnya, dalam medan magnet yang kuat, potensial Coulomb tidak turun berbanding terbalik dengan jarak, tetapi secara eksponensial;

Hukum Coulomb dan polarisasi vakum

Fenomena polarisasi vakum dalam elektrodinamika kuantum terdiri dari pembentukan pasangan elektron-positron virtual. Awan pasangan elektron-positron menyaring muatan listrik elektron. Penyaringan meningkat seiring bertambahnya jarak dari elektron; sebagai akibatnya, muatan listrik efektif elektron merupakan fungsi penurunan jarak. Potensi efektif yang diciptakan oleh elektron bermuatan listrik dapat dijelaskan dengan ketergantungan bentuk. Muatan efektif bergantung pada jarak menurut hukum logaritma:

Tn. konstanta struktur halus ≈7.3·10−3;

Tn. jari-jari elektron klasik ≈2,8·10−13 cm..

Efek Juhling

Fenomena penyimpangan potensial elektrostatik muatan titik dalam ruang hampa dari nilai hukum Coulomb dikenal sebagai efek Juhling, yang pertama kali menghitung penyimpangan hukum Coulomb untuk atom hidrogen. Efek Uehling memberikan koreksi terhadap pergeseran Lamb sebesar 27 MHz.

Hukum Coulomb dan inti superberat

Dalam medan elektromagnetik yang kuat di dekat inti superberat bermuatan, terjadi restrukturisasi ruang hampa, mirip dengan transisi fase konvensional. Hal ini menyebabkan perubahan pada hukum Coulomb

Pentingnya hukum Coulomb dalam sejarah ilmu pengetahuan

Hukum Coulomb merupakan hukum kuantitatif terbuka pertama untuk fenomena elektromagnetik yang dirumuskan dalam bahasa matematika. Ilmu elektromagnetisme modern dimulai dengan ditemukannya hukum Coulomb.

Lihat juga

  • Medan listrik
  • Jarak jauh
  • Hukum Biot-Savart-Laplace
  • Hukum Ketertarikan
  • Liontin, Charles Augustin de
  • Liontin (satuan ukuran)
  • Prinsip superposisi
  • persamaan Maxwell

Tautan

  • Hukum Coulomb (video pelajaran, program kelas 10)

Catatan

  1. Landau L.D., Lifshits E.M. Fisika teoretis: Buku Teks. panduan: Untuk universitas. Dalam 10 volume. T. 2 Teori lapangan. - Edisi ke-8, stereot. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 hal. - ISBN 5-9221-0056-4 (Vol.2), Bab. 5 Medan elektromagnetik konstan, paragraf 38 Bidang muatan yang bergerak beraturan, hal.132
  2. Landau L.D., Lifshits E.M. Fisika teoretis: Buku Teks. panduan: Untuk universitas. Dalam 10 volume. T. 3. Mekanika kuantum (teori non-relativistik). - Edisi ke-5, stereot. - M.: Fizmatlit, 2002. - 808 hal. - ISBN 5-9221-0057-2 (Vol.3), bab. 3 Persamaan Schrödinger, hal. 17 Persamaan Schrödinger, hal. 74
  3. G.Bethe Mekanika kuantum. - jalur. dari bahasa Inggris, ed. V. L. Bonch-Bruevich, “Mir”, M., 1965, Bagian 1 Teori struktur atom, Ch. 1 Persamaan Schrödinger dan metode perkiraan penyelesaiannya, hal. 11
  4. R. E. Peierls Hukum alam. jalur dari bahasa Inggris diedit oleh Prof. I. M. Khalatnikova, Rumah Penerbitan Negara Sastra Fisika dan Matematika, M., 1959, galeri. 20.000 eksemplar, 339 hal., Bab. 9 “Elektron dengan kecepatan tinggi”, paragraf “Gaya pada kecepatan tinggi. Kesulitan lainnya", hal. 263
  5. L. B. Okun... z Pengenalan dasar fisika partikel elementer, M., Nauka, 1985, Library “Kvant”, vol. 45, hal. “Partikel maya”, hal. 57.
  6. Komunikasi Novi. Akademik. Sc. Imp. Petropolitanae, v. IV, 1758, hal. 301.
  7. Epinus F.T.U. Teori listrik dan magnet. - L.: Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet, 1951. - 564 hal. - (Ilmu klasik). - 3000 eksemplar.
  8. Abel Socin (1760) Acta Helvetica, jilid. 4, halaman 224-225.
  9. J. Priestley. Sejarah dan keadaan Listrik saat ini dengan eksperimen asli. London, 1767, hal. 732.
  10. John Robison Sebuah Sistem Filsafat Mekanik(London, Inggris: John Murray, 1822), vol. 4. Pada halaman 68, Robison menyatakan bahwa pada tahun 1769 ia menerbitkan pengukuran gaya yang bekerja antara bola-bola yang bermuatan serupa, dan juga menjelaskan sejarah penelitian di bidang ini, dengan mencatat nama Apinus, Cavendish dan Coulomb. Pada halaman 73 penulis menuliskan bahwa memaksa perubahan sebagai X−2,06.
  11. S. R. Filonovich “Cavendish, Coulomb dan Elektrostatika”, M., “Pengetahuan”, 1988, BBK 22.33 F53, bab. "Nasib Hukum", hal. 48
  12. R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Feynman Kuliah Fisika, vol. 5, "Listrik dan Magnet", trans. dari bahasa Inggris, ed. Ya.A.Smorodinsky, ed. 3, M., Editorial URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Listrik dan Magnet), ISBN 5-354-00698-8 (Pekerjaan Lengkap), ch. 4 “Elektrostatika”, paragraf 1 “Statika”, hal. 70-71;
  13. R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Feynman Kuliah Fisika, vol. 5, "Listrik dan Magnet", trans. dari bahasa Inggris, ed. Ya.A.Smorodinsky, ed. 3, M., Editorial URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Listrik dan Magnet), ISBN 5-354-00698-8 (Pekerjaan Lengkap), ch. 5 “Penerapan Hukum Gauss”, paragraf 10 “Bidang di dalam rongga konduktor”, hal. 106-108;
  14. E. R. Williams, J. E. Faller, H. A. Hill "Uji Eksperimental Baru Hukum Coulomb: Batas Atas Laboratorium pada Massa Diam Foton", Phys. Putaran. Biarkan. 26, 721-724 (1971);
  15. WE Lamb, RC Retherford Struktur Halus Atom Hidrogen dengan Metode Microwave (Bahasa Inggris) // Tinjauan Fisik. - T.72.-No.3.--Hal.241-243.
  16. 1 2 R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Feynman Kuliah Fisika, vol. 5, "Listrik dan Magnet", trans. dari bahasa Inggris, ed. Ya.A.Smorodinsky, ed. 3, M., Editorial URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Listrik dan Magnet), ISBN 5-354-00698-8 (Pekerjaan Lengkap), ch. 5 “Penerapan Hukum Gauss”, paragraf 8 “Apakah Hukum Coulomb Akurat?”, hal. 103;
  17. CODATA (Komite Data Sains dan Teknologi)
  18. Berestetsky, V.B., Lifshits, E.M., Pitaevsky, L.P. Elektrodinamika kuantum. - Edisi ke-3, direvisi. - M.: Nauka, 1989. - Hal.565-567. - 720 detik. - (“Fisika Teoretis”, volume IV). - ISBN 5-02-014422-3
  19. Neda Sadoogi Potensi Coulomb QED yang dimodifikasi dalam medan magnet yang kuat (Bahasa Inggris).
  20. Okun L. B. “Fisika Partikel Dasar”, ed. 3rd, M., “Editorial URSS”, 2005, ISBN 5-354-01085-3, BBK 22.382 22.315 22.3o, bab. 2 “Gravitasi. Elektrodinamika", "Polarisasi Vakum", hal. 26-27;
  21. “Fisika dunia mikro”, bab. ed. D. V. Shirkov, M., “Soviet Encyclopedia”, 1980, 528 hal., sakit., 530.1(03), F50, pasal. "Muatan efektif", penulis. Seni. D.V. Shirkov, hal.496;
  22. Yavorsky B. M. “Buku Pegangan Fisika untuk Insinyur dan Mahasiswa” / B. M. Yavorsky, A. A. Detlaf, A. K. Lebedev, edisi ke-8, direvisi. dan rev., M.: Onyx Publishing House LLC, Mir and Education Publishing House LLC, 2006, 1056 hal.: sakit., ISBN 5-488-00330-4 (Onyx Publishing House LLC), ISBN 5-94666 -260- 0 (Publishing House Mir and Education LLC), ISBN 985-13-5975-0 (Harvest LLC), UDC 530 (035) BBK 22.3, Ya22, “Aplikasi”, “Konstanta fisik dasar”, dengan . 1008;
  23. Uehling E.A., Fis. Pdt., 48, 55, (1935)
  24. “Meson dan ladang” S. Schweber, G. Bethe, F. Hoffmann volume 1 Fields ch. 5 Sifat-sifat persamaan Dirac hal. 2. Keadaan dengan energi negatif c. 56, bab. 21 Renormalisasi, paragraf 5 Polarisasi vakum dari 336
  25. A. B. Migdal “Polarisasi vakum di medan kuat dan kondensasi pion”, “Kemajuan dalam Ilmu Fisika”, v. 3, 1977, November, hal. 369-403;
  26. Spiridonov O.P. "Konstanta fisik universal", M., "Pencerahan", 1984, hal. 52-53;

Literatur

  1. Filonovich S. R. Nasib hukum klasik. - M., Nauka, 1990. - 240 hal., ISBN 5-02-014087-2 (Kvant Library, edisi 79), ref. 70500 eksemplar
Kategori:
  • Hukum fisika
  • Elektrostatika

hukum Coulomb

Torsi Teresis Coulomb

hukum Coulomb- salah satu hukum dasar elektrostatika, yang menentukan besarnya dan gaya interaksi langsung antara dua muatan titik yang tidak dapat dihancurkan. Hukum ini pertama kali ditetapkan secara eksperimental dengan akurasi yang memuaskan oleh Henry Cavendish pada tahun 1773. Ia mengembangkan metode kapasitor bola tanpa mempublikasikan hasilnya. Pada tahun 1785, undang-undang tersebut ditetapkan oleh Charles Coulomb dengan bantuan pembatasan puntir khusus.

Viznachennya

Gaya interaksi elektrostatis F 12 dua titik muatan tak bergerak q 1 dan q 2 dalam ruang hampa berbanding lurus dengan penjumlahan nilai mutlak muatan-muatan tersebut dan sebanding dengan kuadrat jarak r 12 antara keduanya. F 12 = k ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 2 (\displaystyle F_(12)=k\cdot (\frac (q_(1)\cdot q_(2))(r_(12)^(2))) ),

untuk bentuk vektor:

F 12 = k ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F_(12)) =k\cdot (\frac (q_(1)\cdot q_(2))(r_(12) ^(3)))\mathbf (r_(12)) ,

Gaya interaksi diarahkan ke arah yang sama seperti antara muatan-muatan, dimana muatan-muatan yang sejenis akan tarik menarik dan muatan-muatan yang berlawanan akan tarik menarik. Gaya-gaya yang ditentukan oleh hukum Coulomb bersifat aditif.

Agar hukum dapat dirumuskan, perlu disucikan pikiran-pikiran berikut:

  1. Keakuratan muatan - antar benda bermuatan - mungkin jauh lebih besar tergantung pada ukuran benda.
  2. Biaya yang tidak bisa dipecahkan. Dalam episode yang berlarut-larut, perlu ditambahkan medan magnet pada muatan yang runtuh.
  3. Hukum ini dirumuskan untuk muatan dalam ruang hampa.

Menjadi elektrostatis

Faktor proporsionalitas k Ini disebut baja elektrostatik. Vіn berbohong dalam pemilihan unit kepunahan. Dengan demikian, Sistem Internasional mempunyai satuan (CI)

K = 1 4 π ε 0 ≈ (\displaystyle k=(\frac (1)(4\pi \varepsilon _(0)))\approx ) 8,987742438 109 N m2 Cl-2,

de ε 0 (\displaystyle \varepsilon _(0)) - menjadi listrik. Hukum Coulomb terlihat seperti ini:

F 12 = 1 4 π ε 0 q 1 q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F) _(12)=(\frac (1)(4\pi \varepsilon _(0)))(\ frac (q_(1)q_(2))(r_(12)^(3)))\mathbf (r) _(12)) .

Selama tiga tahun terakhir, sistem utama dari beberapa modifikasi adalah sistem GHS. Banyak literatur fisika klasik telah ditulis berdasarkan salah satu jenis sistem GHS - sistem satuan Gaussian. Satuan muatannya diatur sedemikian rupa sehingga k=1, dan hukum Coulomb berbentuk:

F 12 = q 1 q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F)_(12)=(\frac (q_(1)q_(2))((r)_(12)^(3) ))\mathbf (r) _(12)) .

Bentuk serupa dari hukum Coulomb mungkin ada dalam sistem atom, yang digunakan dalam fisika atom untuk reaksi kimia kuantum.

Hukum Coulomb di tengah

Dalam medium, gaya interaksi antar muatan berubah akibat polarisasi. Untuk medium isotropik homogen terjadi perubahan karakteristik nilai proporsional medium tersebut, yang disebut baja dielektrik atau penetrasi dielektrik dan disebut juga ε (\displaystyle \varepsilon). Gaya Coulomb dalam sistem CI terlihat seperti ini

F 12 = 1 4 π ε ε 0 q 1 q 2 r 12 3 r 12 (\displaystyle \mathbf (F) _(12)=(\frac (1)(4\pi \varepsilon \varepsilon _(0)) )(\frac (q_(1)q_(2))(r_(12)^(3)))\mathbf (r) _(12)) .

Dielektrik menjadi sangat mendekati satu, sehingga dalam hal ini rumus vakum dapat ditentukan dengan cukup akurat.

Sejarah penemuan

Dugaan bahwa interaksi antara benda-benda yang dialiri listrik tunduk pada hukum proporsionalitas yang sama dengan kuadrat luas yang berat berulang kali ditentukan oleh keturunan pada pertengahan abad ke-18. Pada awal tahun 1770-an, Henry Cavendish menemukan secara eksperimental, tetapi tidak mempublikasikan hasilnya, dan baru diketahui pada akhir abad ke-19. setelah publikasi arsip saya. Charles Coulomb menerbitkan hukum tahun 1785 dalam dua memoar yang diserahkan ke Akademi Ilmu Pengetahuan Perancis. Pada tahun 1835, Karl Gaus menerbitkan teorema Gaus, yang diturunkan berdasarkan hukum Coulomb. Menurut teorema Gaus, hukum Coulomb termasuk dalam prinsip dasar elektrodinamika.

Membalikkan hukum

Untuk pemeriksaan makroskopis dalam percobaan di pikiran terestrial, yang dilakukan dengan menggunakan metode Cavendish, indikator derajat R Dalam hukum Coulomb, tidak mungkin membagi 2 lebih dari 6·10−16. Dari percobaan hamburan partikel alfa, tampak bahwa hukum Coulomb tidak dilanggar hingga jarak 10−14 m. Sebaliknya, untuk menggambarkan interaksi partikel bermuatan pada jarak tersebut, dipahami dalam istilah yang mana hukum dirumuskan (konsep kekuasaannya), mengeluarkan akal. Area berskala luas ini memiliki hukum mekanika kuantum.

Hukum Coulomb dapat digunakan sebagai salah satu warisan elektrodinamika kuantum, di mana interaksi frekuensi pengisian melibatkan pertukaran foton virtual. Hasilnya, eksperimen pengujian prinsip elektrodinamika kuantum dapat dilanjutkan dengan pengujian hukum Coulomb. Jadi, percobaan pemusnahan elektron dan positron menunjukkan bahwa hukum elektrodinamika kuantum tidak berlaku pada jarak 10−18 m.

Divisi. Juga

  • teorema Gaus
  • gaya Lorentz

Dzherela

  • Goncharenko S.U. Fisika: Hukum dan Rumus Dasar.. - K.: Libid, 1996. - 47 hal.
  • Kucheruk I. M., Gorbachuk I. T., Lutsik P.P. Listrik dan magnet // Kursus fisika Zagalny. - K.: Tekhnika, 2006. - T. 2. - 456 hal.
  • Frish S.E., Timoreva A.V. Kotak listrik dan elektromagnetik // Kursus fisika global. - K.: Sekolah Radyanska, 1953. - T. 2. - 496 hal.
  • Ensiklopedia Fisik / Ed. A.M.Prokhorova. - M.: Ensiklopedia Soviet, 1990. - T. 2. - 703 hal.
  • Sivukhin D.V. Listrik // Mata kuliah fisika umum. - M.: Fizmatlit, 2009. - T. 3. - 656 hal.

Catatan

  1. A B Hukum Coulomb dapat diterapkan pada muatan kering, karena fluiditasnya jauh lebih rendah dibandingkan fluiditas cahaya
  2. A B Y -- Coulomb (1785a) "Premier mémoire sur l'électricité et le magnétisme," , halaman 569-577 -- Liontin telah ditenun atau digunakan untuk pemasangan muatan yang identik:

    Halaman 574: Hasilnya adalah bahwa tindakan ini sangat menjijikkan sehingga bola-bola kedua dialiri arus listrik yang sama dengan yang dilakukan oleh listrik di tempat lain, sesuai dengan alasan kebalikan dari jarak yang ditempuh.

    Terjemahan: Selain itu, dari ketiga kesimpulan tersebut dapat disimpulkan bahwa gaya antara dua kumparan yang dialiri arus listrik yang bermuatan listrik yang sifatnya sama mengikuti hukum proporsionalitas terbatas hingga kuadrat jarak..

    Y -- Coulomb (1785b) "Memoir kedua sur l'électricité et le magnétisme," Sejarah l'Académie Royale des Sciences, halaman 578-611. - Liontin tersebut menunjukkan bahwa benda-benda dengan muatan yang berdekatan tertarik secara gaya karena hubungan proporsionalnya.

  3. Pemilihan rumusan penalaran yang jelas rumit tersebut disebabkan karena dalam Sistem Internasional yang satuan dasarnya bukanlah muatan listrik, melainkan satuan ampere arus listrik, dan taraf utama elektrodinamika ditulis tanpa pengali 4 π (\gaya tampilan 4 \pi ) .

hukum Coulomb

Irina Ruderfer

Hukum Coulomb adalah hukum interaksi muatan listrik titik.

Ditemukan oleh Coulomb pada tahun 1785. Setelah melakukan banyak percobaan dengan bola logam, Charles Coulomb memberikan rumusan hukum sebagai berikut:

Gaya interaksi antara dua titik benda bermuatan stasioner dalam ruang hampa diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan tersebut, berbanding lurus dengan hasil kali modulus muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya.
Penting untuk dicatat bahwa agar undang-undang itu benar, perlu:
1. sifat titik muatan - yaitu, jarak antara benda bermuatan jauh lebih besar daripada ukurannya.
2. imobilitas mereka. Jika tidak, efek tambahan harus diperhitungkan: medan magnet yang muncul dari muatan bergerak dan gaya Lorentz tambahan yang bekerja pada muatan bergerak lainnya.
3.interaksi dalam ruang hampa.
Namun dengan beberapa penyesuaian, undang-undang tersebut juga berlaku untuk interaksi muatan dalam suatu medium dan untuk muatan yang bergerak.

Dalam bentuk vektor dalam rumusan C. Coulomb dituliskan hukumnya sebagai berikut:

Dimana F1,2 adalah gaya yang digunakan muatan 1 untuk bekerja pada muatan 2; q1,q2 - besarnya muatan; - vektor radius (vektor diarahkan dari muatan 1 ke muatan 2, dan sama, dalam nilai absolut, dengan jarak antar muatan - r12); k - koefisien proporsionalitas. Jadi, hukum menunjukkan bahwa muatan sejenis akan tolak menolak (muatan sejenis akan tarik menarik).

Jangan menyetrika melawan arah serat!

Mengetahui keberadaan listrik selama ribuan tahun, manusia baru mulai mempelajarinya secara ilmiah pada abad ke-18. (Menariknya bahwa para ilmuwan pada masa itu yang menangani masalah ini mengidentifikasi listrik sebagai ilmu yang terpisah dari fisika, dan menyebut diri mereka “ahli listrik.”) Salah satu pionir listrik adalah Charles Augustin de Coulomb. Setelah mempelajari dengan cermat gaya interaksi antara benda-benda yang membawa berbagai muatan elektrostatis, ia merumuskan hukum yang sekarang menggunakan namanya. Pada dasarnya, ia melakukan eksperimennya sebagai berikut: berbagai muatan elektrostatis dipindahkan ke dua bola kecil yang digantungkan pada benang tertipis, setelah itu suspensi dengan bola tersebut didekatkan. Ketika mereka cukup dekat, bola-bola tersebut mulai tertarik satu sama lain (dengan polaritas muatan listrik yang berlawanan) atau ditolak (dalam kasus muatan unipolar). Akibatnya, benang menyimpang dari vertikal pada sudut yang cukup besar sehingga gaya tarik-menarik atau tolak-menolak elektrostatis diseimbangkan oleh gaya gravitasi. Setelah mengukur sudut defleksi dan mengetahui massa bola dan panjang suspensi, Coulomb menghitung gaya interaksi elektrostatis pada jarak bola yang berbeda satu sama lain dan, berdasarkan data ini, memperoleh rumus empiris:

Dimana Q dan q adalah besar muatan elektrostatik, D adalah jarak antara keduanya, dan k adalah konstanta Coulomb yang ditentukan secara eksperimental.

Mari kita segera perhatikan dua hal menarik dalam hukum Coulomb. Pertama, dalam bentuk matematikanya ia mengulangi hukum gravitasi universal Newton, jika dalam hukum gravitasi universal kita mengganti massa dengan muatan, dan konstanta Newton dengan konstanta Coulomb. Dan ada banyak alasan untuk kesamaan ini. Menurut teori medan kuantum modern, medan listrik dan gravitasi muncul ketika benda fisik bertukar partikel pembawa energi dasar tanpa massa diam - masing-masing foton atau graviton. Jadi, meskipun terdapat perbedaan nyata dalam sifat gravitasi dan listrik, kedua gaya ini mempunyai banyak kesamaan.

Catatan penting kedua berkaitan dengan konstanta Coulomb. Ketika fisikawan teoretis Skotlandia James Clerk Maxwell menurunkan sistem persamaan Maxwell untuk gambaran umum medan elektromagnetik, ternyata konstanta Coulomb berhubungan langsung dengan kecepatan cahaya c. Terakhir, Albert Einstein menunjukkan bahwa c berperan sebagai konstanta dunia fundamental dalam kerangka teori relativitas. Dengan cara ini, seseorang dapat menelusuri bagaimana teori-teori sains modern yang paling abstrak dan universal secara bertahap berkembang, menyerap hasil-hasil yang diperoleh sebelumnya, dimulai dengan kesimpulan sederhana yang diambil berdasarkan eksperimen fisik desktop.
http://elementy.ru/trefil/coulomb_law
http://www.fieldphysics.ru/coulombs_law/
http://www.vnz.ru/spravki/zakon-Kulona.html