Hukum Coulomb dan penerapannya dalam teknik elektro

Seperti halnya dalam mekanika Newton, interaksi gravitasi selalu terjadi antara benda dengan massa, demikian pula dengan elektrodinamika, interaksi elektrik adalah karakteristik benda bermuatan listrik. Muatan listrik dilambangkan dengan simbol «q» atau «Q».

Kita bahkan dapat mengatakan bahwa konsep muatan listrik q dalam elektrodinamika agak mirip dengan konsep massa gravitasi m dalam mekanika. Tetapi tidak seperti massa gravitasi, muatan listrik mencirikan sifat benda dan partikel untuk masuk ke dalam interaksi elektromagnetik, dan interaksi ini, seperti yang Anda pahami, bukanlah gravitasi.

Biaya listrik

Pengalaman manusia dalam mempelajari fenomena kelistrikan mengandung banyak hasil eksperimen, dan semua fakta ini memungkinkan fisikawan mencapai kesimpulan tegas berikut tentang muatan listrik:

1. Muatan listrik terdiri dari dua jenis — secara kondisional dapat dibagi menjadi positif dan negatif.

2.Muatan listrik dapat ditransfer dari satu objek bermuatan ke objek lain: misalnya, dengan saling bersentuhan - muatan di antara mereka dapat dipisahkan. Dalam hal ini, muatan listrik sama sekali bukan komponen wajib tubuh: dalam kondisi yang berbeda, benda yang sama mungkin memiliki muatan dengan besaran dan tanda yang berbeda, atau mungkin tidak bermuatan. Dengan demikian muatan bukanlah sesuatu yang melekat pada pembawa, dan pada saat yang sama muatan tidak dapat ada tanpa pembawa.

3. Meskipun benda-benda yang memiliki gaya gravitasi selalu saling menarik, muatan listrik dapat saling tarik-menarik dan saling tolak. Seperti biaya saling menarik, seperti biaya menolak.

Pembawa muatan adalah elektron, proton, dan partikel elementer lainnya. Ada dua jenis muatan listrik—positif dan negatif. Muatan positif adalah yang muncul pada kaca yang digosok dengan kulit. Negatif - Tuduhan terjadi pada amber yang digosok dengan bulu. Pihak berwenang yang didakwa dengan tuduhan dengan nama yang sama mundur. Benda dengan muatan berlawanan saling menarik.

Hukum kekekalan muatan listrik adalah hukum dasar alam, bunyinya seperti ini: «jumlah aljabar muatan semua benda dalam sistem terisolasi tetap konstan». Ini berarti bahwa dalam sistem tertutup, munculnya atau hilangnya muatan hanya untuk satu tanda adalah tidak mungkin.

Jumlah aljabar muatan dalam sistem terisolasi dijaga konstan. Pembawa muatan dapat berpindah dari satu benda ke benda lain atau bergerak di dalam benda, dalam sebuah molekul, atom. Muatan tidak tergantung pada kerangka acuan.

Saat ini, pandangan ilmiah menyatakan bahwa pembawa muatan pada awalnya adalah partikel elementer.Partikel elementer neutron (netral secara listrik), proton (bermuatan positif) dan elektron (bermuatan negatif) membentuk atom.

Inti atom terdiri dari proton dan neutron, dan elektron membentuk kulit atom. Modulus muatan elektron dan proton sama besarnya dengan muatan elementer e, tetapi muatan partikel ini berlawanan satu sama lain.

Interaksi Muatan Listrik — Hukum Coulomb

Adapun interaksi langsung muatan listrik satu sama lain, maka pada tahun 1785 fisikawan Prancis Charles Coulomb secara eksperimental menetapkan dan menjelaskan hukum dasar elektrostatis ini, hukum dasar alam, yang tidak mengikuti hukum lain mana pun. Dalam karyanya, ilmuwan mempelajari interaksi benda-benda bermuatan titik stasioner dan mengukur kekuatan saling tolak dan tarikan mereka.

Coulomb secara eksperimental menetapkan hal berikut: «Kekuatan interaksi muatan stasioner berbanding lurus dengan produk modul dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara mereka.»

Ini adalah rumusan hukum Coulomb. Dan meskipun muatan titik tidak ada di alam, hanya dalam kaitannya dengan muatan titik kita dapat berbicara tentang jarak di antara mereka, dalam rumusan hukum Coulomb ini.

Faktanya, jika jarak antara benda secara signifikan melebihi ukurannya, baik ukuran maupun bentuk benda bermuatan tidak akan mempengaruhi interaksinya secara khusus, yang berarti bahwa benda untuk masalah ini dapat dianggap seperti titik.

Mari kita lihat sebuah contoh. Mari kita gantung beberapa bola bermuatan pada senar.Karena mereka dibebankan dengan cara tertentu, mereka akan menolak atau menarik. Karena gaya diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan benda-benda ini, ini adalah gaya pusat.

Untuk menunjukkan gaya yang bekerja pada masing-masing muatan dari yang lain, kami akan menulis: F12 adalah gaya muatan kedua pada muatan pertama, F21 adalah gaya muatan pertama pada muatan kedua, r12 adalah vektor jari-jari dari muatan kedua muatan titik ke yang pertama. Jika muatan memiliki tanda yang sama, maka gaya F12 akan diarahkan bersama ke vektor jari-jari, tetapi jika muatan memiliki tanda yang berbeda, maka gaya F12 akan diarahkan ke vektor jari-jari.

Dengan menggunakan hukum interaksi muatan titik (Hukum Coulomb), gaya interaksi sekarang dapat ditemukan untuk setiap muatan titik atau badan muatan titik. Jika benda tidak berbentuk titik, benda tersebut secara mental dipecah menjadi elemen-elemen pastel, yang masing-masing dapat dianggap sebagai muatan titik.

Setelah menemukan gaya yang bekerja di antara semua elemen kecil, gaya-gaya ini dijumlahkan secara geometris—mereka menemukan gaya resultan. Partikel elementer juga berinteraksi satu sama lain sesuai dengan hukum Coulomb, dan hingga saat ini tidak ada pelanggaran terhadap hukum dasar elektrostatis ini yang diamati.

Penerapan hukum Coulomb dalam teknik listrik

Tidak ada area dalam teknik kelistrikan modern di mana hukum Coulomb tidak beroperasi dalam satu atau lain bentuk. Dimulai dengan arus listrik, diakhiri dengan kapasitor yang hanya diisi daya. Terutama bidang-bidang yang berhubungan dengan elektrostatis — semuanya 100% terkait dengan hukum Coulomb. Mari kita lihat beberapa contoh saja.

Kasus paling sederhana adalah pengenalan dielektrik.Gaya interaksi muatan dalam ruang hampa selalu lebih besar daripada gaya interaksi muatan yang sama dalam kondisi ketika semacam dielektrik ditempatkan di antara keduanya.

Konstanta dielektrik suatu media adalah nilai yang memungkinkan Anda untuk menentukan nilai gaya secara kuantitatif, terlepas dari jarak antara muatan dan besarnya. Cukup membagi gaya interaksi muatan dalam ruang hampa dengan konstanta dielektrik dari dielektrik yang dimasukkan - kita mendapatkan gaya interaksi dengan adanya dielektrik.

Peralatan penelitian canggih — akselerator partikel. Pengoperasian akselerator partikel bermuatan didasarkan pada fenomena interaksi medan listrik dan partikel bermuatan. Medan listrik bekerja di akselerator, meningkatkan energi partikel.

Jika di sini kita menganggap partikel yang dipercepat sebagai muatan titik, dan aksi medan listrik yang dipercepat dari akselerator sebagai gaya total dari muatan titik lainnya, maka dalam hal ini hukum Coulomb diamati sepenuhnya.Medan magnet mengarahkan partikel hanya melalui gaya Lorentz, tetapi tidak mengubah energinya, tetapi hanya mengatur lintasan pergerakan partikel dalam akselerator.

Struktur listrik pelindung. Instalasi listrik penting selalu dilengkapi dengan sesuatu yang sekilas sederhana seperti penangkal petir. Dan penangkal petir dalam pekerjaannya juga tidak lulus tanpa memperhatikan hukum Coulomb. Selama badai petir, muatan induksi besar muncul di Bumi — menurut hukum Coulomb, mereka tertarik ke arah awan badai. Hasilnya adalah medan listrik yang kuat di permukaan bumi.

Intensitas medan ini sangat tinggi di dekat konduktor tajam, dan oleh karena itu pelepasan koronal dinyalakan di ujung runcing penangkal petir - muatan dari Bumi cenderung, mematuhi hukum Coulomb, tertarik oleh muatan berlawanan dari petir. awan.

Udara di dekat penangkal petir sangat terionisasi akibat lucutan korona. Akibatnya, kekuatan medan listrik di dekat ujung berkurang (serta di dalam kabel apa pun), muatan yang diinduksi tidak dapat menumpuk di gedung, dan kemungkinan petir berkurang. Jika petir menyambar penangkal petir, maka muatan akan langsung menuju ke Bumi dan tidak akan merusak instalasi.