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✪ Lezione 213. Le cariche elettriche e la loro interazione. Legge di Coulomb

✪ 8 celle - 106. Legge di Coulomb

✪ Legge di Coulomb

✪ risoluzione dei problemi della LEGGE DI COULOMB della fisica

✪ Lezione 215

Sottotitoli

Formulazione

La forza di interazione di due cariche puntiformi nel vuoto è diretta lungo la retta che collega queste cariche, è proporzionale alle loro grandezze ed è inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. È una forza attrattiva se i segni delle cariche sono diversi e una forza repulsiva se questi segni sono gli stessi.

È importante notare che affinché la legge sia vera, è necessario:

1. Le cariche puntiformi, cioè la distanza tra i corpi carichi deve essere molto maggiore delle loro dimensioni. Tuttavia, si può dimostrare che la forza di interazione di due cariche distribuite volumetricamente con distribuzioni spaziali sfericamente simmetriche non intersecanti è uguale alla forza di interazione di due cariche puntiformi equivalenti poste ai centri di simmetria sferica;
2. La loro immobilità. In caso contrario, entrano in vigore ulteriori effetti: il campo magnetico della carica in movimento e la corrispondente forza aggiuntiva di Lorentz che agisce su un'altra carica in movimento;
3. Disposizione delle cariche nel vuoto.

Tuttavia, con alcune modifiche, la legge è valida anche per le interazioni di cariche in un mezzo e per le cariche mobili.

In forma vettoriale, nella formulazione di S. Coulomb, la legge è scritta come segue:

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))),)

dove F → 12 (\displaystyle (\vec (F))_(12))è la forza con cui la carica 1 agisce sulla carica 2; q 1 , q 2 (\ displaystyle q_(1),q_(2))- l'entità degli oneri; r → 12 (\displaystyle (\vec (r))_(12))- vettore raggio (vettore diretto dalla carica 1 alla carica 2, e uguale, in valore assoluto, alla distanza tra le cariche - r 12 (\ displaystyle r_(12))); k (\ displaystyle k)- coefficiente di proporzionalità.

Coefficiente K

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

La legge di Coulomb in meccanica quantistica

La legge di Coulomb dal punto di vista dell'elettrodinamica quantistica

Storia

Per la prima volta lo studio sperimentale della legge di interazione di corpi caricati elettricamente fu suggerito da G. V. Richmann nel 1752-1753. Intendeva utilizzare a questo scopo l'elettrometro "indicatore" da lui progettato. L'attuazione di questo piano è stata impedita dalla tragica morte di Richman.

Circa 11 anni prima di Coulomb, nel 1771, la legge di interazione delle cariche fu scoperta sperimentalmente da G. Cavendish, ma il risultato non fu pubblicato e rimase sconosciuto per molto tempo (oltre 100 anni). I manoscritti di Cavendish furono consegnati a DK Maxwell solo nel 1874 da uno dei discendenti di Cavendish su grande apertura Cavendish Laboratory e pubblicato nel 1879.

Lo stesso Coulomb si dedicò allo studio della torsione dei fili e inventò l'equilibrio di torsione. Scoprì la sua legge, usandola per misurare le forze di interazione delle palle cariche.

Legge di Coulomb, principio di sovrapposizione ed equazioni di Maxwell

Grado di accuratezza della legge di Coulomb

La legge di Coulomb è un fatto sperimentalmente stabilito. La sua validità è stata più volte confermata da esperimenti sempre più precisi. Una delle direzioni di tali esperimenti è verificare se l'esponente differisce r nella legge di 2. Per trovare questa differenza si usa il fatto che se il grado è esattamente uguale a due, allora non c'è campo dentro la cavità nel conduttore, qualunque sia la forma della cavità o conduttore.

Tali esperimenti furono prima eseguiti da Cavendish e ripetuti da Maxwell in forma migliorata, ottenendo per la massima differenza dell'esponente in una potenza di due il valore 1 21600 (\ displaystyle (\ frac (1) (21600)))

Esperimenti condotti nel 1971 negli Stati Uniti da ER Williams, DE Voller e GA Hill hanno mostrato che l'esponente nella legge di Coulomb è 2 a entro (3 , 1 ± 2 , 7) × 10 - 16 (\ displaystyle (3,1 \ pm 2,7) \ volte 10 ^ (-16)) .

Per testare l'accuratezza della legge di Coulomb a distanze intraatomiche, W. Yu. Lamb e R. Rutherford nel 1947 usarono misurazioni della disposizione relativa dei livelli di energia dell'idrogeno. Si è riscontrato che anche a distanze dell'ordine dell'atomico 10 −8 cm, l'esponente nella legge di Coulomb differisce da 2 di non più di 10 −9 .

Coefficiente k (\ displaystyle k) nella legge di Coulomb rimane costante fino a 15⋅10 −6.

Correzioni alla legge di Coulomb nell'elettrodinamica quantistica

A brevi distanze (dell'ordine dell'onda di elettroni Compton lunghezza , λ e = ℏ m e c (\ displaystyle \ lambda _ (e) = (\ tfrac (\ hbar) (m_ (e) c)})≈3,86⋅10 −13 m , dove me (\ displaystyle m_ (e))è la massa dell'elettrone, ℏ (\ displaystyle \ hbar )- La costante di Planck, c (\ displaystyle c)- la velocità della luce) gli effetti non lineari dell'elettrodinamica quantistica diventano significativi: la generazione di coppie virtuali elettrone-positrone (oltre a muone-antimuone e taon-antitaone) si sovrappone allo scambio di fotoni virtuali e anche l'effetto dello screening diminuisce (vedi rinormalizzazione). Entrambi gli effetti portano alla comparsa di termini di ordine decrescenti esponenzialmente e - 2 r / λ e (\ displaystyle e ^ (-2r / \ lambda _ (e))) nell'espressione per l'energia potenziale dell'interazione di cariche e, di conseguenza, ad un aumento della forza di interazione rispetto a quella calcolata dalla legge di 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)))\destra),)

dove λ e (\ displaystyle \ lambda _ (e))- Compton lunghezza d'onda elettrone, α = e 2 ℏ c (\ displaystyle \ alpha = (\ tfrac (e ^ (2)) (\ hbar c)})- costante fine struttura e r ≫ λ e (\ displaystyle r \ gg \ lambda _ (e)).

A distanze dell'ordine λ W = ℏ m w c (\ displaystyle \ lambda _ (W) = (\ tfrac (\ hbar) (m_ (w) c)})~ 10 -18 m, dove m w (\ displaystyle m_ (w))è la massa del bosone W, entrano in gioco gli effetti elettrodeboli.

In forte esterno campi elettromagnetici, costituendo una frazione apprezzabile del campo di ripartizione vuoto (dell'ordine di m e c 2 e λ e (\ displaystyle (\ tfrac (m_ (e) c ^ (2)) (e \ lambda _ (e))})~10 18 V/m o m e c e λ e (\ displaystyle (\ tfrac (m_ (e) c) (e \ lambda _ (e))})~10 9 T, tali campi si osservano, ad esempio, vicino ad alcuni tipi di stelle di neutroni, vale a dire le magnetar), la legge di Coulomb viene violata anche a causa dello scattering di Delbrück dei fotoni di scambio sui fotoni del campo esterno e di altri non lineari più complessi effetti. Questo fenomeno riduce la forza di Coulomb non solo in micro ma anche in macro scale, in particolare, in un forte campo magnetico, il potenziale di Coulomb non cade in modo inversamente proporzionale alla distanza, ma in modo esponenziale.

Legge di Coulomb e polarizzazione vuoto

Legge di Coulomb e nuclei superpesanti

Il significato della legge di Coulomb nella storia della scienza

La legge di Coulomb è la prima legge fondamentale aperta quantitativa e formulata matematicamente per i fenomeni elettromagnetici. Con la scoperta della legge di Coulomb iniziò la moderna scienza dell'elettromagnetismo.

Guarda anche

Collegamenti

• La legge di Coulomb (video lezione, programma di 10a elementare)

Appunti

1. Sivukhin D. V. Corso generale di fisica. - M.: Fizmatlit; MIPT Casa editrice, 2004. - Vol. III. Elettricità. - S. 17. - 656 pag. - ISBN 5-9221-0227-3.
2. Landau LD, Lifshits EM Fisica teorica: libro di testo. indennità: Per università. V 10 t. T. 2 Teoria dei campi. - 8a ed., stereo. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 pag. -

Legge

La legge di Coulomb

Il modulo della forza di interazione di due cariche puntiformi nel vuoto è direttamente proporzionale al prodotto dei moduli di queste cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro.

Altrimenti: due punti carica in vuoto agiscono gli uni sugli altri con forze proporzionali al prodotto dei moduli di queste cariche, inversamente proporzionali al quadrato della distanza tra loro e dirette lungo la retta che collega tali cariche. Queste forze sono chiamate elettrostatiche (Coulomb).

la loro immobilità. In caso contrario, hanno effetto gli effetti aggiuntivi: un campo magnetico spese di trasloco e il relativo supplemento forza di Lorentz agire su un'altra carica mobile;

interazione in vuoto.

dov'è la forza con cui la carica 1 agisce sulla carica 2; - l'entità degli oneri; - vettore raggio (vettore diretto dalla carica 1 alla carica 2, e uguale, in modulo, alla distanza tra le cariche - ); - coefficiente di proporzionalità. Pertanto, la legge indica che le cariche con lo stesso nome si respingono (e le cariche opposte si attraggono).

A SGSE unità la carica è scelta in modo tale che il coefficiente Kè uguale a uno.

A Sistema internazionale di unità (SI) una delle unità di base è l'unità forza corrente elettrica ampere, e l'unità di addebito è pendenteè il suo derivato. L'ampere è definito in modo tale che K= c2 10−7 gn/m = 8,9875517873681764 109 H m2/ cl 2 (o Ф−1 m). Nel coefficiente SI Kè scritto come:

dove ≈ 8,854187817 10−12 F/m - costante elettrica.

La legge di Coulomb è:

Legge di Coulomb Per la legge dell'attrito secco, vedere la legge di Amonton-Coulomb Magnetostatica Elettrodinamica Circuito elettrico Formulazione covariante Scienziati famosi

La legge di Coulombè una legge che descrive le forze di interazione tra cariche elettriche puntiformi.

Fu scoperto da Charles Coulomb nel 1785. Dopo aver condotto un gran numero di esperimenti con sfere di metallo, Charles Coulomb diede la seguente formulazione della legge:

Il modulo della forza di interazione di due cariche puntiformi nel vuoto è direttamente proporzionale al prodotto dei moduli di queste cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro

Altrimenti: due cariche puntiformi nel vuoto agiscono l'una sull'altra con forze proporzionali al prodotto dei moduli di queste cariche, inversamente proporzionali al quadrato della distanza tra loro e dirette lungo la retta che collega queste cariche. Queste forze sono chiamate elettrostatiche (Coulomb).

È importante notare che affinché la legge sia vera, è necessario:

1. cariche puntiformi - cioè la distanza tra corpi carichi è molto maggiore della loro dimensione - tuttavia, si può dimostrare che la forza di interazione di due cariche distribuite volumetricamente con distribuzioni spaziali sfericamente simmetriche non intersecanti è uguale alla forza di interazione di due cariche puntiformi equivalenti poste ai centri di simmetria sferica;
2. la loro immobilità. In caso contrario, entrano in vigore ulteriori effetti: il campo magnetico della carica in movimento e la corrispondente forza aggiuntiva di Lorentz che agisce su un'altra carica in movimento;
3. interazione nel vuoto.

Tuttavia, con alcune modifiche, la legge è valida anche per le interazioni di cariche in un mezzo e per le cariche mobili.

In forma vettoriale, nella formulazione di S. Coulomb, la legge è scritta come segue:

dov'è la forza con cui la carica 1 agisce sulla carica 2; - l'entità degli oneri; - vettore raggio (vettore diretto dalla carica 1 alla carica 2, e uguale, in valore assoluto, alla distanza tra le cariche -); - coefficiente di proporzionalità. Pertanto, la legge indica che le cariche con lo stesso nome si respingono (e le cariche opposte si attraggono).

Coefficiente K

Nel CGSE l'unità di misura è scelta in modo tale che il coefficiente Kè uguale a uno.

Nel Sistema internazionale di unità (SI), una delle unità di base è l'unità di forza della corrente elettrica, l'ampere, e l'unità di carica, il coulomb, ne è un derivato. L'ampere è definito in modo tale che K= c2 10-7 H/m = 8,9875517873681764 109 N m2/C2 (o F-1 m). Nel coefficiente SI Kè scritto come:

dove ≈ 8,854187817 10−12 F/m è la costante elettrica.

In una sostanza isotropa omogenea, al denominatore della formula viene aggiunta la permittività relativa del mezzo ε.

La legge di Coulomb in meccanica quantistica

In meccanica quantistica, la legge di Coulomb è formulata non con l'aiuto del concetto di forza, come nella meccanica classica, ma con l'aiuto del concetto di energia potenziale dell'interazione di Coulomb. Nel caso in cui il sistema considerato nella meccanica quantistica contenga particelle elettricamente cariche, i termini che esprimono l'energia potenziale dell'interazione di Coulomb vengono aggiunti all'operatore hamiltoniano del sistema, come viene calcolato nella meccanica classica.

Quindi, l'operatore di Hamilton di un atomo con carica nucleare Z sembra:

Qui mè la massa dell'elettrone, e- la sua carica, - il valore assoluto del raggio vettore j esimo elettrone, . Il primo termine esprime l'energia cinetica degli elettroni, il secondo termine - l'energia potenziale dell'interazione coulombiana degli elettroni con il nucleo e il terzo termine - l'energia potenziale coulombiana di repulsione reciproca degli elettroni. La somma nel primo e nel secondo termine viene effettuata su tutti gli N elettroni. Nel terzo termine, la somma va su tutte le coppie di elettroni e ogni coppia si verifica una volta.

La legge di Coulomb dal punto di vista dell'elettrodinamica quantistica

Secondo l'elettrodinamica quantistica, l'interazione elettromagnetica delle particelle cariche avviene tramite lo scambio di fotoni virtuali tra le particelle. Il principio di indeterminazione per il tempo e l'energia consente l'esistenza di fotoni virtuali per il tempo che intercorre tra i momenti della loro emissione e assorbimento. Minore è la distanza tra le particelle cariche, minore è il tempo necessario ai fotoni virtuali per superare questa distanza e, di conseguenza, maggiore è l'energia dei fotoni virtuali consentita dal principio di indeterminazione. A piccole distanze tra le cariche, il principio di indeterminazione consente lo scambio di fotoni sia a lunghezza d'onda lunga che a lunghezza d'onda corta e, a grandi distanze, solo i fotoni a lunghezza d'onda lunga partecipano allo scambio. Quindi, con l'aiuto dell'elettrodinamica quantistica, si può derivare la legge di Coulomb.

Storia

Per la prima volta lo studio sperimentale della legge di interazione di corpi caricati elettricamente fu proposto da G.V. Richman nel 1752-1753. Intendeva utilizzare a questo scopo l'elettrometro "indicatore" da lui progettato. L'attuazione di questo piano è stata impedita dalla tragica morte di Richman.

Nel 1759 F. Epinus, professore di fisica all'Accademia delle scienze di San Pietroburgo, che assunse la cattedra di Richmann dopo la sua morte, suggerì per la prima volta che le cariche dovessero interagire in proporzione inversa al quadrato della distanza. Nel 1760 apparve breve messaggio che D. Bernoulli a Basilea ha stabilito una legge quadratica con l'aiuto di un elettrometro da lui progettato. Nel 1767 Priestley annotò nella sua "History of Electricity" che l'esperienza di Franklin, che scoprì l'assenza di campo elettrico all'interno di una palla di metallo carica, potrebbe significare questo "l'attrazione elettrica segue esattamente la stessa legge della gravitazione, cioè il quadrato della distanza". Il fisico scozzese John Robison affermò (1822) di aver scoperto nel 1769 che le palle con la stessa carica elettrica si respingono con forza, indietro proporzionale al quadrato la distanza tra loro, e così anticipava la scoperta della legge di Coulomb (1785).

Circa 11 anni prima di Coulomb, nel 1771, la legge di interazione delle cariche fu scoperta sperimentalmente da G. Cavendish, ma il risultato non fu pubblicato e rimase sconosciuto per molto tempo (oltre 100 anni). I manoscritti Cavendish furono consegnati a DK Maxwell solo nel 1874 da uno dei discendenti di Cavendish in occasione dell'inaugurazione Laboratorio Cavendish e pubblicato nel 1879.

Lo stesso Coulomb si dedicò allo studio della torsione dei fili e inventò l'equilibrio di torsione. Scoprì la sua legge, usandola per misurare le forze di interazione delle palle cariche.

Legge di Coulomb, principio di sovrapposizione ed equazioni di Maxwell

La legge di Coulomb e il principio di sovrapposizione per i campi elettrici sono completamente equivalenti alle equazioni di Maxwell per l'elettrostatica e. Cioè, la legge di Coulomb e il principio di sovrapposizione per i campi elettrici sono soddisfatte se e solo se sono soddisfatte le equazioni di Maxwell per l'elettrostatica e, viceversa, le equazioni di Maxwell per l'elettrostatica sono soddisfatte se e solo se la legge di Coulomb e il principio di sovrapposizione per l'elettricità i campi sono soddisfatti.

Grado di accuratezza della legge di Coulomb

La legge di Coulomb è un fatto sperimentalmente stabilito. La sua validità è stata più volte confermata da esperimenti sempre più precisi. Una delle direzioni di tali esperimenti è verificare se l'esponente differisce r nella legge di 2. Per trovare questa differenza si usa il fatto che se il grado è esattamente uguale a due, allora non c'è campo dentro la cavità nel conduttore, qualunque sia la forma della cavità o conduttore.

Esperimenti condotti nel 1971 negli Stati Uniti da E. R. Williams, D. E. Voller e G. A. Hill hanno mostrato che l'esponente nella legge di Coulomb è 2 a entro .

Per testare l'accuratezza della legge di Coulomb a distanze intraatomiche, W. Yu. Lamb e R. Rutherford nel 1947 usarono misurazioni della disposizione relativa dei livelli di energia dell'idrogeno. Si è riscontrato che anche a distanze dell'ordine di 10-8 cm atomici, l'esponente nella legge di Coulomb differisce da 2 di non più di 10-9.

Il coefficiente nella legge di Coulomb rimane costante fino a 15·10−6.

Correzioni alla legge di Coulomb nell'elettrodinamica quantistica

A brevi distanze (dell'ordine della lunghezza d'onda Compton di un elettrone, ≈3,86 10-13 m, dove è la massa dell'elettrone, - La costante di Planck, è la velocità della luce), gli effetti non lineari dell'elettrodinamica quantistica diventano significativi: lo scambio di fotoni virtuali è sovrapposto dalla generazione di coppie virtuali elettrone-positrone (oltre a muone-antimuone e taon-antitaone) e l'effetto di schermatura diminuisce (vedi rinormalizzazione). Entrambi gli effetti portano alla comparsa di termini di ordine esponenzialmente decrescente nell'espressione dell'energia potenziale di interazione delle cariche e, di conseguenza, ad un aumento della forza di interazione rispetto a quella calcolata dalla legge di Coulomb. Ad esempio, l'espressione per il potenziale di una carica puntiforme nel sistema CGS, tenendo conto delle correzioni radiative del primo ordine, assume la forma:

dove è la lunghezza d'onda Compton di un elettrone, è una costante struttura fine e. A distanze dell'ordine di ~ 10-18 m, dove è la massa del bosone W, entrano in gioco gli effetti elettrodeboli.

In forti campi elettromagnetici esterni, che costituiscono una frazione significativa del campo di rottura del vuoto (dell'ordine di ~1018 V/m o ~109 T, tali campi si osservano, ad esempio, vicino a determinati tipi di stelle di neutroni, vale a dire le magnetar) , anche la legge di Coulomb viene violata a causa dello scattering di Delbrück dei fotoni di scambio sui fotoni del campo esterno e di altri effetti non lineari più complessi. Questo fenomeno riduce la forza di Coulomb non solo sulla microscala ma anche sulla macroscala; in particolare, in un forte campo magnetico il potenziale di Coulomb diminuisce in modo esponenziale anziché inversamente con la distanza.

Legge di Coulomb e polarizzazione del vuoto

Il fenomeno della polarizzazione del vuoto nell'elettrodinamica quantistica è la formazione di coppie virtuali di elettroni-positroni. Una nuvola di coppie elettrone-positrone protegge la carica elettrica di un elettrone. La schermatura aumenta con l'aumentare della distanza dall'elettrone, di conseguenza la carica elettrica effettiva dell'elettrone è una funzione decrescente della distanza. Il potenziale effettivo creato da un elettrone con una carica elettrica può essere descritto da una dipendenza dalla forma. La carica effettiva dipende dalla distanza secondo la legge logaritmica:

T. n. costante di struttura fine ≈7,3 10−3;

T. n. raggio dell'elettrone classico ≈2,8 10−13 cm..

Effetto Yuling

Il fenomeno della deviazione del potenziale elettrostatico delle cariche puntiformi nel vuoto dal valore della legge di Coulomb è noto come effetto di Yuling, che per primo calcolò le deviazioni dalla legge di Coulomb per l'atomo di idrogeno. L'effetto Yuling corregge lo spostamento Lamb di 27 MHz.

Legge di Coulomb e nuclei superpesanti

In un forte campo elettromagnetico vicino a nuclei superpesanti con una carica, il vuoto si riorganizza, il che è analogo a una normale transizione di fase. Ciò porta a modifiche alla legge di Coulomb

Il significato della legge di Coulomb nella storia della scienza

La legge di Coulomb è la prima legge aperta quantitativa e formulata matematicamente per i fenomeni elettromagnetici. La moderna scienza dell'elettromagnetismo iniziò con la scoperta della legge di Coulomb.

Guarda anche

• Campo elettrico
• lungo raggio
• Legge di Biot-Savart-Laplace
• legge di Attrazione
• Pendente, Charles Augustin de
• Pendente (unità)
• Principio di sovrapposizione
• Le equazioni di Maxwell

Collegamenti

• La legge di Coulomb (video lezione, programma di 10a elementare)

Appunti

1. Landau L. D., Lifshits E. M. Fisica teorica: Proc. indennità: Per le università. In 10 volumi T. 2 Teoria del campo. - 8a ed., stereo. - M.: FIZMATLIT, 2001. - 536 pag. - ISBN 5-9221-0056-4 (vol. 2), cap. 5 Campo elettromagnetico costante, p. 38 Campo di una carica in movimento uniforme, p. 132
2. Landau L. D., Lifshits E. M. Fisica teorica: Proc. indennità: Per le università. In 10 volumi Vol. 3. Meccanica quantistica (teoria non relativistica). - 5a ed., stereo. - M.: Fizmatlit, 2002. - 808 pag. - ISBN 5-9221-0057-2 (vol. 3), cap. 3 Equazione di Schrödinger, p. 17 Equazione di Schrödinger, p. 74
3. G. Bethe Meccanica quantistica. - per. dall'inglese, ed. V. L. Bonch-Bruevich, "Mir", M., 1965, Parte 1 Teoria della struttura dell'atomo, cap. 1 L'equazione di Schrödinger e metodi approssimati per la sua soluzione, p. undici
4. R. E. Peierls Leggi della natura. per. dall'inglese. ed. prof. I. M. Khalatnikova, casa editrice statale di letteratura fisica e matematica, M., 1959, tiro a segno. 20.000 copie, 339 pp., cap. 9 “Elettroni ad alta velocità”, P. “Forze ad alta velocità. Altre difficoltà, p. 263
5. L. B. Okun … z Un'introduzione elementare alla fisica particelle elementari, M., Nauka, 1985, Libreria quantistica, vol. 45, p. "Particelle virtuali", p. 57.
6. novi com. Accad. sc. Imp. Petropolitane, v. IV, 1758, pag. 301.
7. Aepinus FTW Teoria dell'elettricità e del magnetismo. - L.: AN SSSR, 1951. - 564 p. - (Classici della scienza). - 3000 copie.
8. Abele Socin (1760) Acta Helvetica, vol. 4, pagine 224-225.
9. J. Priestley. La storia e lo stato attuale dell'elettricità con esperimenti originali. Londra, 1767, pag. 732.
10. Giovanni Robison, Un sistema di filosofia meccanica(Londra, Inghilterra: John Murray, 1822), vol. 4. A pagina 68, Robison afferma che nel 1769 pubblicò le sue misurazioni della forza agente tra sfere della stessa carica, e descrive anche la storia della ricerca in questo settore, annotando i nomi di Aepinus, Cavendish e Coulomb. A pagina 73, l'autore scrive che la forza cambia come X−2,06.
11. S. R. Filonovich "Cavendish, Coulomb e l'elettrostatica", M., "Conoscenza", 1988, LBC 22.33 F53, cap. "Il destino della legge", p. 48
12. R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Le lezioni di Feynman in fisica, vol. 5, Elettricità e magnetismo, trad. dall'inglese, ed. Ya. A. Smorodinsky, ed. 3, M., Editoriale URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Elettricità e Magnetismo), ISBN 5-354-00698-8 (Opera completa), cap. 4 "Elettrostatica", p.1 "Statistica", p. 70-71;
13. R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Le lezioni di Feynman in fisica, vol. 5, Elettricità e magnetismo, trad. dall'inglese, ed. Ya. A. Smorodinsky, ed. 3, M., Editoriale URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Elettricità e Magnetismo), ISBN 5-354-00698-8 (Opera completa), cap. 5 "Applicazioni della legge di Gauss", p.10 "Campo all'interno della cavità del conduttore", p. 106-108;
14. ER Williams, JE Faller, HA Hill "New Experimental Test of Coulomb's Law: A Laboratory Upper Limit on the Photon Rest Mass", Phys. Rev. Lett. 26, 721-724 (1971);
15. WE Lamb, RC Retherford Struttura fine dell'atomo di idrogeno con un metodo a microonde (inglese) // Revisione fisica. - T. 72. - N. 3. - S. 241-243.
16. 1 2 R. Feynman, R. Layton, M. Sands, Le lezioni di Feynman in fisica, vol. 5, Elettricità e magnetismo, trad. dall'inglese, ed. Ya. A. Smorodinsky, ed. 3, M., Editoriale URSS, 2004, ISBN 5-354-00703-8 (Elettricità e Magnetismo), ISBN 5-354-00698-8 (Opera completa), cap. 5 "Applicazioni della legge di Gauss", p.8 "La legge di Coulomb è accurata?", p. 103;
17. CODATA (Comitato Dati per la Scienza e la Tecnologia)
18. Berestetsky, V. B., Lifshitz, E. M., Pitaevsky, L. P. Elettrodinamica quantistica. - 3a edizione, corretta. - M.: Nauka, 1989. - S. 565-567. - 720 sec. - (“Fisica Teorica”, Volume IV). - ISBN 5-02-014422-3
19. Neda Sadooghi Potenziale di Coulomb modificato di QED in un forte campo magnetico (inglese).
20. Okun LB "Fisica delle particelle elementari", ed. 3°, M., "Urss editoriale", 2005, ISBN 5-354-01085-3, BBC 22.382 22.315 22.3o, cap. 2 “Gravità. Elettrodinamica”, “Polarizzazione del vuoto”, p. 26-27;
21. "Fisica del microcosmo", cap. ed. D. V. Shirkov, M., " Enciclopedia sovietica”, 1980, 528 p., ill., 530.1 (03), F50, art. "Carica effettiva", ed. Arte. D.V. Shirkov, p.496;
22. Yavorsky B. M. "Manuale di fisica per ingegneri e studenti universitari" / B. M. Yavorsky, A. A. Detlaf, A. K. Lebedev, 8a ed., Rivisto. e corretto, M.: Publishing House Onyx LLC, Publishing House Mir and Education LLC, 2006, 1056 pagine: illustrazioni, ISBN 5-488-00330-4 (OOO Publishing House Onyx), ISBN 5-94666 -260-0 (Mondo e Education Publishing House LLC), ISBN 985-13-5975-0 (Harvest LLC), UDC 530(035) BBK 22.3, Ya22, "Appendici", "Costanti fisiche fondamentali", p. . 1008;
23. Uehling EA, Phys. Rev. 48, 55 (1935)
24. "Mesoni e campi" S. Schweber, G. Bethe, F. Hoffman volume 1 Campi cap. 5 Proprietà dell'equazione di Dirac p.2. Stati con energia negativa p. 56, cap. 21 Rinormalizzazione, Sez. 5 Polarizzazione del vuoto s 336
25. AB Migdal "Polarizzazione del vuoto in campi forti e condensazione di pioni", "Uspekhi fizicheskikh nauk", vol. 123, c. 3, 1977, novembre, pag. 369-403;
26. Spiridonov O. P. "Costanti fisiche universali", M., "Illuminismo", 1984, p. 52-53;

Letteratura

1. Filonovich S. R. Il destino della legge classica. - M., Nauka, 1990. - 240 p., ISBN 5-02-014087-2 (Quantum Library, numero 79), circ. 70500 copie

Categorie:

• leggi fisiche
• Elettrostatica

Legge di Coulomb

Barre di torsione di Coulomb

Legge di Coulomb- una delle principali leggi dell'elettrostatica, che determina l'entità della forza direttamente tra due cariche puntiformi non violente. Sperimentalmente, con sufficiente accuratezza, la legge fu stabilita per la prima volta da Henry Cavendish nel 1773. Egli sconfisse il metodo di un condensatore sferico, ma non pubblicò i suoi risultati. Nel 1785, la legge fu introdotta da Charles Coulomb per l'aiuto di termini di torsione speciali.

Appuntamento

La forza elettrostatica di interazione F 12 delle cariche non violente a due punti q 1 e q 2 nel vuoto è direttamente proporzionale al valore assoluto delle cariche ed è avvolta in proporzione al quadrato della distanza r 12 tra di esse. F 12 = k ⋅ q 1 ⋅ q 2 r 12 2 (\ displaystyle F_(12)=k\cdot (\frac (q_(1)\cdot q_(2))(r_(12)^(2))) ) ,

per la forma vettoriale:

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)) ) ,

La forza della mutua modalità è diretta in una linea retta, che è uguale ad una carica, e le stesse cariche sono miste, ma diversamente attratte.Le forze determinate dalla legge di Coulomb sono additivi.

Per vikonannya la legge formulata è necessaria, in modo che vikonuyutsya sia così attento:

1. Il punto di ricarica - tra i corpi carichi può essere caricato con più acqua.
2. Indistruttibilità delle cariche. Nella direzione opposta, è necessario riportare il campo magnetico alla carica che sta collassando.
3. La legge è formulata per cariche nel vuoto.

È diventato elettrostatico

Coefficiente di proporzionalità K Posso nominare l'acciaio elettrostatico. Per cadere nella sola scelta vimіryuvannya. Quindi, il sistema internazionale ne ha uno (СІ)

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

de ε 0 (\ displaystyle \ varepsilon _ (0)) - divenne elettrico. La legge di Coulomb può essere vista:

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)) .

Aggiornando l'ultima ora, il sistema principale del solo vimiryuvannya era il sistema SGS. Gran parte della letteratura fisica classica è stata scritta utilizzando diverse fonti di uno dei diversi sistemi CGS: il sistema di unità gaussiane. La sua unica carica è stata portata via in un tale grado che K=1, e la legge di Coulomb è simile a:

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)) .

Una visione simile della legge di Coulomb può essere unica nei sistemi atomici, che sono vittoriosi per la fisica atomica per la ricerca chimica quantistica.

La legge di Coulomb nel mezzo

Al centro, la forza di interrelazione tra le cariche cambia, facendo apparire una polarizzazione. Per un mezzo isotropo uniforme, una variazione in un valore proporzionale caratteristico di questo mezzo è chiamata acciaio dielettrico, o penetrazione dielettrica e suono significa ε ( \ displaystyle \ varepsilon ) . La forza di Coulomb nel sistema СІ potrebbe apparire

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)) .

Il dielettrico è diventato sempre più vicino all'unità, quindi in futuro è possibile vincere la formula del vuoto con sufficiente precisione.

Storia

Congetture su coloro che l'interazione tra corpi elettrificati è soggetto alla stessa legge di proporzionalità al quadrato della distanza, che è pesante, furono ripetutamente discusse dai sopravvissuti a metà del XVIII secolo. Sulla pannocchia degli anni '70 del Settecento, Henry Cavendish scoprì sperimentalmente, ma non pubblicò i suoi risultati e ne venne a conoscenza solo nel XIX secolo. dopo l'evento e pubblicazione degli archivi yogo. Charles Coulomb pubblicò la legge del 1785 in due memorie, presentate all'Accademia francese delle scienze. Nel 1835 Karl Gaus pubblicò il teorema di Gaus basato sulla legge di Coulomb. In vista del teorema di Gauss, la legge di Coulomb è inclusa prima delle principali uguaglianze dell'elettrodinamica.

Ricontrollare la legge

Per viste macroscopiche durante gli esperimenti nelle menti terrene, che sono stati effettuati utilizzando il metodo Cavendish, l'indicatore del grado r nella legge di Coulomb, è impossibile cambiare in 2 maggiore minore di 6 10−16. Da esperimenti con l'espansione delle particelle alfa, sembra che la legge di Coulomb non si scomponga a 10-14 m. . In questa regione di ampie scale si sviluppano le leggi della meccanica quantistica.

La legge di Coulomb può essere considerata come uno degli ultimi esempi di elettrodinamica quantistica, nell'ambito della quale l'interazione delle frequenze di carica si basa sullo scambio di fotoni virtuali. Di conseguenza, esperimenti sulla ri-verifica dell'elettrodinamica quantistica possono essere presi come prova della ri-verifica della legge di Coulomb. Pertanto, esperimenti sull'annichilazione di elettroni e positroni mostrano che le leggi dell'elettrodinamica quantistica non possono essere modificate fino alla distanza di 10-18 m.

div. anche

• Teorema di Gaus
• forza di Lorentz

Dzherela

• Goncharenko S.U. Fisica: Leggi e formule fondamentali - K. : Libid, 1996. - 47 p.
• Kucheruk I. M., Gorbachuk I. T., Lutsik P. P. Elettricità e magnetismo // Corso di fisica Zagalny. - K.: Tehnika, 2006. - T. 2. - 456 pag.
• Frish S.E., Timoreva A.V. Fenomeni elettrici ed elettromagnetici // Corso di fisica globale. - K.: scuola Radianska, 1953. - T. 2. - 496 p.
• Enciclopedia fisica / Ed. AM Prokhorova. - M.: Enciclopedia sovietica, 1990. - T. 2. - 703 p.
• Sivukhin D.V. Elettricità // Corso generale di fisica. - M.: Fizmatlit, 2009. - T. 3. - 656 p.

Appunti

1. un b La legge di Coulomb può essere approssimata per le cariche di ruhomy, perché la loro leggerezza è più ricca della leggerezza della luce
2. un b Y -- Coulomb (1785a) "Premier mémoire sur l'électricité et le magnétisme," , pagine 569-577 -- Pendente che brandisce il potere delle cariche a colpo singolo:
   

   Pagina 574: Il risultato donc de ces trois essais, que l "action répulsive que les deux balles électrifées de la même nature d" électricité exercent l "une sur l" autre, suit la raison inverse du carré des distances.

   Traduzione: Inoltre, da questi triokh doslіdіv sluduє, che il potere di vіdshtovhuvannya tra due bobine elettrificate, caricato con elettricità della stessa natura, segue la legge di proporzionalità rivolta al quadrato del vіdstani ..

   Y -- Coulomb (1785b) "Second mémoire sur l'électricité et le magnétisme," Storia dell'Accademia reale delle scienze, pagine 578-611. - Il ciondolo mostrava che i corpi delle cariche opposte sono attratti dalla forza della forza proporzionale al fuoco.

3. Scegli una formula delle menti così ben ripiegata, che nel Sistema Internazionale l'unità di base non è una carica elettrica, ma l'unità di potenza elettrica è ampere, ma l'equalizzazione principale dell'elettrodinamica è scritta senza un moltiplicatore 4 π ( \ displaystyle 4 \ pi).

Legge di Coulomb

Irina Ruderfer

La legge di Coulomb è la legge dell'interazione delle cariche elettriche puntiformi.

Fu scoperto da Coulomb nel 1785. Dopo aver condotto un gran numero di esperimenti con sfere di metallo, Charles Coulomb diede la seguente formulazione della legge:

La forza di interazione di corpi carichi immobili nel vuoto a due punti è diretta lungo la retta che collega le cariche, è direttamente proporzionale al prodotto dei moduli di carica e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra di loro.
È importante notare che affinché la legge sia vera, è necessario:
1. cariche puntiformi - cioè la distanza tra i corpi carichi è molto maggiore delle loro dimensioni.
2. la loro immobilità. Altrimenti, è già necessario prendere in considerazione effetti aggiuntivi: il campo magnetico emergente di una carica in movimento e il corrispondente potenza extra Lorentz che agisce su un'altra carica mobile.
3. interazione nel vuoto.
Tuttavia, con alcune modifiche, la legge vale anche per le interazioni delle cariche in un mezzo e per le cariche mobili.

In forma vettoriale, nella formulazione di S. Coulomb, la legge è scritta come segue:

Dove F1,2 è la forza con cui la carica 1 agisce sulla carica 2; q1,q2 - entità delle cariche; - vettore raggio (vettore diretto dalla carica 1 alla carica 2, e uguale, in modulo, alla distanza tra le cariche - r12); k - coefficiente di proporzionalità. Pertanto, la legge indica che cariche simili si respingono (e cariche diverse si attraggono).

Non stirare contro la lana!

Conoscendo l'esistenza dell'elettricità da migliaia di anni, l'uomo iniziò a studiarla scientificamente solo nel XVIII secolo. (È interessante notare che gli scienziati di quell'epoca, che hanno affrontato questo problema, hanno individuato nell'elettricità una scienza separata dalla fisica e si sono definiti "elettricisti".) Uno dei principali pionieri dell'elettricità fu Charles Augustin de Coulomb. Dopo aver studiato attentamente le forze di interazione tra corpi portatori di varie cariche elettrostatiche, formulò la legge che oggi porta il suo nome. Fondamentalmente, ha condotto i suoi esperimenti come segue: varie cariche elettrostatiche sono state trasferite su due palline sospese sui fili più sottili, dopo di che le sospensioni con le palline si sono avvicinate. Con un approccio sufficiente, le sfere hanno cominciato ad attrarsi (con polarità opposta delle cariche elettriche) oa respingersi (nel caso di cariche unipolari). Di conseguenza, i filamenti deviavano dalla verticale di un angolo sufficientemente ampio in cui le forze di attrazione o repulsione elettrostatica erano bilanciate dalle forze gravità. Avendo misurato l'angolo di deflessione e conoscendo la massa delle sfere e la lunghezza delle sospensioni, Coulomb calcolò le forze interazione elettrostatica a diverse distanze delle palline tra loro e sulla base di questi dati è derivata una formula empirica:

Dove Q e q sono le grandezze delle cariche elettrostatiche, D è la distanza tra loro e k è la costante di Coulomb determinata sperimentalmente.

Notiamo subito due punti interessanti nella legge di Coulomb. In primo luogo, nella sua forma matematica, ripete la legge di gravitazione universale di Newton, se in quest'ultima sostituiamo le masse con le cariche, e la costante di Newton con la costante di Coulomb. E ci sono buone ragioni per questa somiglianza. Secondo la moderna teoria quantistica dei campi, sia i campi elettrici che quelli gravitazionali sorgono quando i corpi fisici si scambiano particelle elementari - vettori energetici, privi di massa a riposo - rispettivamente fotoni o gravitoni. Pertanto, nonostante l'apparente differenza nella natura della gravità e dell'elettricità, queste due forze hanno molto in comune.

La seconda importante osservazione riguarda la costante di Coulomb. Quando il fisico teorico scozzese James Clark Maxwell ha sviluppato il sistema di equazioni di Maxwell per una descrizione generale dei campi elettromagnetici, si è scoperto che la costante di Coulomb è direttamente correlata alla velocità della luce c. Infine, Albert Einstein ha mostrato che c svolge il ruolo di una costante mondiale fondamentale nell'ambito della teoria della relatività. In questo modo si possono rintracciare come le teorie più astratte e universali scienza moderna sviluppato gradualmente, assorbendo i risultati precedentemente ottenuti, a cominciare da semplici conclusioni realizzato sulla base di esperimenti fisici desktop.
http://elementy.ru/trefil/coulomb_law
http://www.fieldphysics.ru/coulombs_law/
http://www.vnz.ru/spravki/zakon-Kulona.html

Il concetto di elettricità. Elettrificazione. Conduttori, semiconduttori e dielettrici. Carica elementare e sue proprietà. La legge di Coulomb. Intensità del campo elettrico. Il principio di sovrapposizione. Il campo elettrico come manifestazione di interazione. Campo elettrico di un dipolo elementare.

Il termine elettricità deriva dalla parola greca elettrone (ambra).

L'elettrizzazione è il processo di conferimento di energia elettrica al corpo.

carica. Questo termine fu introdotto nel XVI secolo dallo scienziato e medico inglese Gilbert.

LA CARICA ELETTRICA E' UN VALORE SCALARE FISICO CHE CARATTERIZZA LE PROPRIETA' DI CORPI O PARTICELLE DA ENTRARE E LE INTERAZIONI ELETTROMAGNETICHE E DETERMINA LA FORZA ED ENERGIA DI QUESTE INTERAZIONI.

Proprietà delle cariche elettriche:

1. In natura esistono due tipi di cariche elettriche. Positivo (appaiono sul vetro strofinato contro la pelle) e negativo (appaiono sull'ebanite strofinato contro la pelliccia).

2. Le accuse con lo stesso nome respingono, a differenza delle accuse si attraggono.

3. La carica elettrica NON ESISTE SENZA PARTICELLE DI PORTATORI DI CARICA (elettroni, protoni, positroni, ecc.) Ad esempio, la carica e / non può essere rimossa da un elettrone e altre particelle cariche elementari.

4. La carica elettrica è discreta, cioè la carica di qualsiasi corpo è un multiplo intero di elementare carica elettrica e(e = 1,6 10 -19 C). Elettrone (cioè= 9,11 10 -31 kg) e protone (tp = 1,67 10 -27 kg) sono rispettivamente portatori di cariche elementari negative e positive (sono note particelle con carica elettrica frazionata: – 1/3 e e 2/3 e- questo è quark e antiquark , ma non sono stati trovati nello stato libero).

5. Carica elettrica - magnitudo relativisticamente invariante , quelli. non dipende dal quadro di riferimento, e quindi non dipende dal fatto che questa carica sia in movimento o ferma.

6. Dalla generalizzazione dei dati sperimentali, legge fondamentale della natura - legge di conservazione della carica: somma algebrica

ma cariche elettriche di qualsiasi sistema chiuso(sistemi che non scambiano oneri con enti esterni) rimane invariato, indipendentemente dai processi che avvengono all'interno di questo sistema.

La legge fu confermata sperimentalmente nel 1843 da un fisico inglese

M. Faraday ( 1791-1867) e altri, confermati dalla nascita e dall'annientamento di particelle e antiparticelle.

L'unità di carica elettrica (unità derivata, poiché è determinata dall'unità di forza della corrente) - pendente (C): 1 C - carica elettrica,

passando attraverso la sezione trasversale del conduttore con una forza di corrente di 1 A per un tempo di 1 s.

Tutti i corpi in natura possono essere elettrizzati; acquisire una carica elettrica. L'elettrificazione dei corpi può essere effettuata diversi modi: contatto (attrito), induzione elettrostatica

ecc. Qualsiasi processo di carica si riduce alla separazione delle cariche, in cui compare un eccesso su uno dei corpi (o parte del corpo). Carica positiva, e dall'altra (o altra parte del corpo) - un eccesso di carica negativa. Il numero totale delle cariche di entrambi i segni contenute nei corpi non cambia: queste accuse vengono solo ridistribuite tra i corpi.

L'elettrificazione dei corpi è possibile perché i corpi sono costituiti da particelle cariche. Nel processo di elettrificazione dei corpi, gli elettroni e gli ioni che si trovano in uno stato libero possono muoversi. I protoni rimangono nei nuclei.

A seconda della concentrazione delle cariche gratuite, i corpi sono suddivisi in conduttori, dielettrici e semiconduttori.

conduttori- corpi in cui la carica elettrica può essere miscelata in tutto il suo volume. I conduttori sono divisi in due gruppi:

1) conduttori del primo tipo (metalli) - trasferimento a

di cariche (elettroni liberi) non è accompagnato da sostanze chimiche

trasformazioni;

2) conduttori di seconda specie (ad esempio sali fusi,

intervalli acidi) - il trasferimento di cariche in essi (positivo e negativo

ioni) porta a cambiamenti chimici.

Dielettrici(ad esempio, vetro, plastica) - corpi in cui non ci sono praticamente costi gratuiti.

Semiconduttori (es. germanio, silicio) occupano

posizione intermedia tra conduttori e dielettrici. Questa divisione dei corpi è molto arbitraria, ma la grande differenza nelle concentrazioni di cariche libere in essi provoca enormi differenze qualitative nel loro comportamento e giustifica quindi la divisione dei corpi in conduttori, dielettrici e semiconduttori.

ELETTROSTATICA- la scienza delle tariffe fisse

La legge di Coulomb.

Legge di interazione Punto fisso cariche elettriche

Installato sperimentalmente nel 1785 da Sh. Coulomb utilizzando bilance di torsione.

simili a quelli usati da G. Cavendish per determinare la costante gravitazionale (questa legge è stata precedentemente scoperta da G. Cavendish, ma il suo lavoro è rimasto sconosciuto per più di 100 anni).

addebito puntuale,è chiamato corpo o particella carica, la cui dimensione può essere trascurata, rispetto alla loro distanza.

Legge di Coulomb: la forza di interazione tra due cariche di punto fisso localizzate nel vuoto proporzionale alle spese q 1 e q2, ed è inversamente proporzionale al quadrato della distanza r tra loro :

K - fattore di proporzionalità in funzione della scelta del sistema

in SI

Valore ε 0 chiamato costante elettrica; si riferisce a

numero costanti fisiche fondamentali ed è uguale a:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 C 2 / N∙m 2

In forma vettoriale, la legge di Coulomb nel vuoto ha la forma:

dove è il raggio vettore che collega la seconda carica con la prima, F 12 è la forza che agisce dalla seconda carica sulla prima.

L'accuratezza dell'attuazione della legge di Coulomb a grandi distanze, fino a

10 7 m, stabilito durante lo studio campo magnetico con l'aiuto dei satelliti

nello spazio vicino alla Terra. La precisione della sua attuazione a brevi distanze, fino a 10 -17 m, verificato da esperimenti sull'interazione di particelle elementari.

La legge di Coulomb nell'ambiente

In tutti i media, la forza dell'interazione Coulomb è inferiore alla forza dell'interazione nel vuoto o nell'aria. La quantità fisica che mostra quante volte la forza dell'interazione elettrostatica nel vuoto è maggiore che in un dato mezzo è chiamata permittività del mezzo ed è indicata dalla lettera ε.

ε = F nel vuoto / F nel mezzo

La legge di Coulomb vista generale in SI:

Proprietà delle forze di Coulomb.

1. Le forze di Coulomb sono forze di tipo centrale, perché diretto lungo una linea retta che collega le cariche

La forza di Coulomb è una forza attrattiva se i segni delle cariche sono diversi e una forza repulsiva se i segni delle cariche sono gli stessi.

3. Per le forze di Coulomb vale la terza legge di Newton

4. Le forze di Coulomb obbediscono al principio di indipendenza o sovrapposizione, perché la forza di interazione tra due cariche puntiformi non cambierà quando altre cariche appaiono vicine. La risultante forza di interazione elettrostatica che agisce su una data carica è uguale alla somma vettoriale delle forze di interazione di una data carica con ciascuna carica del sistema separatamente.

FA= FA 12 + FA 13 + FA 14 + ∙∙∙ + FA 1 N

Le interazioni tra le cariche avvengono per mezzo di un campo elettrico. Un campo elettrico è una forma speciale dell'esistenza della materia, attraverso la quale viene effettuata l'interazione delle cariche elettriche. Il campo elettrico si manifesta per il fatto che agisce con forza su qualsiasi altra carica introdotta in questo campo. Un campo elettrostatico è creato da cariche elettriche stazionarie e si propaga nello spazio con una velocità finita c.

La potenza caratteristica del campo elettrico è chiamata forza.

tensione elettrico a un certo punto è chiamato una quantità fisica, uguale al rapporto la forza con cui il campo agisce su una carica di prova positiva inserita dato punto, al modulo di questa carica.

L'intensità di campo di una carica puntiforme q:

Principio di sovrapposizione: l'intensità del campo elettrico creato dal sistema di cariche in un dato punto dello spazio è uguale alla somma vettoriale delle intensità dei campi elettrici creati in questo punto da ciascuna carica separatamente (in assenza di altre cariche).

Come il concetto di massa gravitazionale di un corpo nella meccanica newtoniana, il concetto di carica in elettrodinamica è il concetto primario, di base.

Carica elettrica - questo è quantità fisica caratterizzare la proprietà di particelle o corpi di entrare in interazioni di forza elettromagnetica.

La carica elettrica è solitamente indicata dalle lettere q o Q.

La totalità di tutti i fatti sperimentali conosciuti ci permette di trarre le seguenti conclusioni:

Esistono due tipi di cariche elettriche, convenzionalmente dette positive e negative.

Gli addebiti possono essere trasferiti (ad esempio per contatto diretto) da un organismo all'altro. A differenza della massa di un corpo, una carica elettrica non è una caratteristica intrinseca di un dato corpo. Lo stesso corpo in condizioni diverse può avere una carica diversa.

Come le cariche si respingono, a differenza delle cariche si attraggono. Questo mostra anche la differenza fondamentale tra le forze elettromagnetiche e quelle gravitazionali. Le forze gravitazionali sono sempre forze di attrazione.

Una delle leggi fondamentali della natura è quella stabilita sperimentalmente legge di conservazione della carica elettrica .

In un sistema isolato somma algebrica le cariche di tutti i corpi rimangono costanti:

q 1 + q 2 + q 3 + ... +qn= cost.

La legge di conservazione della carica elettrica afferma che in un sistema chiuso di corpi non si possono osservare processi di nascita o scomparsa di cariche di un solo segno.

Dal punto di vista moderno, i portatori di carica sono particelle elementari. Tutti i corpi ordinari sono costituiti da atomi, che includono protoni caricati positivamente, elettroni caricati negativamente e particelle neutre- neutroni. Ne fanno parte protoni e neutroni nuclei atomici, gli elettroni formano il guscio elettronico degli atomi. Le cariche elettriche del protone e dell'elettrone modulo sono esattamente le stesse e uguali alla carica elementare e.

In un atomo neutro, il numero di protoni nel nucleo è uguale al numero di elettroni nel guscio. Questo numero è chiamato numero atomico . Un atomo di una data sostanza può perdere uno o più elettroni o guadagnare un elettrone in più. In questi casi, l'atomo neutro si trasforma in uno ione caricato positivamente o negativamente.

Una carica può essere trasferita da un organismo all'altro solo in porzioni contenenti un numero intero di cariche elementari. Pertanto, la carica elettrica del corpo è una quantità discreta:

Si chiamano grandezze fisiche che possono assumere solo una serie discreta di valori quantizzato . carica elementare eè un quanto (porzione più piccola) di carica elettrica. Va notato che nella moderna fisica delle particelle elementari si presume l'esistenza dei cosiddetti quark: particelle con carica frazionaria e Tuttavia, i quark allo stato libero non sono ancora stati osservati.

Negli esperimenti di laboratorio convenzionali, le cariche elettriche vengono rilevate e misurate utilizzando elettrometro ( o elettroscopio) - un dispositivo costituito da un'asta metallica e da una freccia che può ruotare attorno ad un asse orizzontale (Fig. 1.1.1). La punta della freccia è isolata dalla custodia di metallo. Quando un corpo carico viene a contatto con l'asta di un elettrometro, lungo l'asta e la freccia si distribuiscono cariche elettriche dello stesso segno. Le forze di repulsione elettrica fanno ruotare la freccia di un certo angolo, da cui si può giudicare la carica trasferita all'asta dell'elettrometro.

L'elettrometro è uno strumento abbastanza grezzo; non consente di indagare le forze di interazione delle cariche. Per la prima volta, la legge di interazione delle cariche fisse fu scoperta dal fisico francese Charles Coulomb nel 1785. Nei suoi esperimenti, Coulomb misurò le forze di attrazione e repulsione delle sfere cariche usando un dispositivo da lui progettato: un equilibrio di torsione (Fig. 1.1.2), estremamente sensibile. Quindi, ad esempio, il bilanciere è stato ruotato di 1° sotto l'azione di una forza dell'ordine di 10 -9 N.

L'idea delle misurazioni si basava sulla brillante ipotesi di Coulomb che se una palla carica viene messa in contatto esattamente con la stessa non caricata, la carica della prima sarà divisa equamente tra di loro. Pertanto, è stato indicato un metodo per modificare la carica della palla di due, tre, ecc. Volte. Gli esperimenti di Coulomb hanno misurato l'interazione tra palline le cui dimensioni sono molto più piccole della distanza tra loro. Tali corpi carichi sono chiamati addebiti puntuali.

carica puntiforme chiamato corpo carico, le cui dimensioni possono essere trascurate nelle condizioni di questo problema.

Sulla base di numerosi esperimenti, Coulomb ha stabilito la seguente legge:

Le forze di interazione delle cariche fisse sono direttamente proporzionali al prodotto dei moduli di carica e inversamente proporzionali al quadrato della loro distanza:

Le forze di interazione obbediscono alla terza legge di Newton:

Sono forze repulsive con gli stessi segni di cariche e forze attrattive con segni diversi(Fig. 1.1.3). Si chiama l'interazione di cariche elettriche fisse elettrostatico o Coulomb interazione. Si chiama la sezione di elettrodinamica che studia l'interazione di Coulomb elettrostatica .

La legge di Coulomb è valida per i corpi caricati a punti. In pratica, la legge di Coulomb è ben soddisfatta se le dimensioni dei corpi carichi sono molto inferiori alla distanza tra loro.

Fattore di proporzionalità K nella legge di Coulomb dipende dalla scelta del sistema di unità. Nel sistema SI internazionale, l'unità di misura è pendente(CL).

Pendente - questa è la carica che passa in 1 s attraverso la sezione trasversale del conduttore con un'intensità di corrente di 1 A. L'unità di intensità di corrente (Ampere) in SI è, insieme alle unità di lunghezza, tempo e massa unità di misura di base.

Coefficiente K nel sistema SI è solitamente scritto come:

Dove - costante elettrica .

Nel sistema SI, la carica elementare eè uguale a:

L'esperienza mostra che le forze di interazione di Coulomb obbediscono al principio di sovrapposizione:

Se un corpo carico interagisce contemporaneamente con più corpi carichi, la forza risultante che agisce su questo corpo è uguale alla somma vettoriale delle forze che agiscono su questo corpo da tutti gli altri corpi carichi.

Riso. 1.1.4 spiega il principio di sovrapposizione usando l'esempio dell'interazione elettrostatica di tre corpi carichi.

Il principio di sovrapposizione è una legge fondamentale della natura. Tuttavia, il suo utilizzo richiede una certa cautela quando si tratta dell'interazione di corpi carichi di dimensioni finite (ad esempio, due sfere cariche conduttive 1 e 2). Se una terza palla carica viene sollevata a un sistema di due palle cariche, l'interazione tra 1 e 2 cambierà a causa di ridistribuzione degli addebiti.

Il principio di sovrapposizione afferma che quando data distribuzione (fissa) della carica su tutti i corpi, le forze di interazione elettrostatica tra due corpi qualsiasi non dipendono dalla presenza di altri corpi carichi.

Addebiti ed elettricità sono termini obbligatori per quei casi in cui si osserva l'interazione di corpi carichi. Le forze di repulsione e attrazione sembrano emanare da corpi carichi e diffondersi simultaneamente in tutte le direzioni, svanendo gradualmente a distanza. Questa forza fu una volta scoperta dal famoso naturalista francese Charles Coulomb e la regola a cui obbediscono i corpi caricati è stata chiamata Legge di Coulomb.

Ciondolo Carlo

Lo scienziato francese è nato in Francia, dove ha ricevuto un'eccellente educazione. Ha applicato attivamente le conoscenze acquisite nelle scienze ingegneristiche e ha dato un contributo significativo alla teoria dei meccanismi. Coulomb è l'autore di opere che hanno studiato il funzionamento dei mulini a vento, le statistiche di varie strutture, la torsione dei fili sotto l'influenza di forze esterne. Uno di questi lavori ha aiutato a scoprire la legge di Coulomb-Amonton, che spiega i processi di attrito.

Ma Charles Coulomb ha dato il contributo principale allo studio dell'elettricità statica. Gli esperimenti che ha condotto questo scienziato francese lo hanno portato a comprendere una delle leggi più fondamentali della fisica. È a lui che dobbiamo la nostra conoscenza della natura dell'interazione dei corpi carichi.

sfondo

Le forze di attrazione e repulsione con cui le cariche elettriche agiscono l'una sull'altra sono dirette lungo la retta che collega i corpi carichi. All'aumentare della distanza, questa forza si indebolisce. Un secolo dopo che Isaac Newton scoprì la sua legge universale di gravità, lo scienziato francese C. Coulomb indagò sperimentalmente il principio di interazione tra corpi carichi e dimostrò che la natura di tale forza è simile alle forze di gravità. Inoltre, come si è scoperto, i corpi interagenti in un campo elettrico si comportano allo stesso modo di qualsiasi corpo con massa in un campo gravitazionale.

Dispositivo Coulomb

Lo schema del dispositivo con cui Charles Coulomb ha effettuato le sue misurazioni è mostrato in figura:

Come puoi vedere, in sostanza questo design non differisce dal dispositivo che Cavendish una volta usava per misurare il valore della costante gravitazionale. Un'asta isolante sospesa su un filo sottile termina con una sfera di metallo, a cui viene data una certa carica elettrica. Un'altra palla di metallo viene avvicinata alla palla e quindi, mentre si avvicina, la forza di interazione viene misurata dal grado di torsione del filo.

Esperimento Coulomb

Coulomb suggerì che l'allora nota legge di Hooke potesse essere applicata alla forza con cui il filo viene attorcigliato. Lo scienziato ha confrontato la variazione di forza a diverse distanze di una palla dall'altra e ha scoperto che la forza di interazione cambia il suo valore inversamente al quadrato della distanza tra le palle. Il ciondolo è riuscito a modificare i valori della palla caricata da q a q/2, q/4, q/8 e così via. Ad ogni cambio di carica, la forza di interazione cambiava proporzionalmente il suo valore. Così, gradualmente, fu formulata una regola, che fu poi chiamata "Legge di Coulomb".

Definizione

Sperimentalmente, lo scienziato francese ha dimostrato che le forze con cui interagiscono due corpi carichi sono proporzionali al prodotto delle loro cariche e inversamente proporzionali al quadrato della distanza tra le cariche. Questa affermazione è la legge di Coulomb. In forma matematica, può essere espresso come segue:

In questa espressione:

• q è l'importo dell'addebito;
• d è la distanza tra corpi carichi;
• k è la costante elettrica.

Il valore della costante elettrica dipende in gran parte dalla scelta dell'unità di misura. A sistema moderno l'intensità della carica elettrica è misurata in coulomb e la costante elettrica, rispettivamente, in newton × m 2 / coulomb 2.

Recenti misurazioni hanno dimostrato che questo coefficiente dovrebbe tenere conto della costante dielettrica del mezzo in cui viene effettuato l'esperimento. Ora il valore viene mostrato come il rapporto k=k 1 /e, dove k 1 è la costante elettrica a noi già familiare, e non è un indicatore della permittività. In condizioni di vuoto, questo valore è uguale all'unità.

Conclusioni dalla legge di Coulomb

Lo scienziato ha sperimentato cariche diverse, testando l'interazione tra corpi con cariche diverse. Naturalmente, non poteva misurare la carica elettrica in nessuna unità - non aveva né conoscenze né strumenti adeguati. Charles Coulomb è stato in grado di separare il proiettile toccando la palla carica scarica. Quindi ha ricevuto valori frazionari della carica iniziale. Numerosi esperimenti hanno dimostrato che la carica elettrica si conserva, lo scambio avviene senza aumento o diminuzione della carica. Questo principio fondamentale ha costituito la base della legge di conservazione della carica elettrica. Allo stato attuale, è stato dimostrato che questa legge si osserva sia nel microcosmo delle particelle elementari che nel macrocosmo delle stelle e delle galassie.

Condizioni necessarie per l'adempimento della legge di Coulomb

Affinché la legge possa essere adempiuta con maggiore accuratezza, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

• Gli addebiti devono essere puntuali. In altre parole, la distanza tra i corpi carichi osservati deve essere molto maggiore delle loro dimensioni. Se i corpi carichi sono sferici, allora possiamo presumere che tutta la carica sia in un punto che è il centro della sfera.
• I corpi da misurare devono essere fissi. In caso contrario, la carica in movimento sarà influenzata da numerosi fattori di terze parti, ad esempio la forza di Lorentz, che conferisce al corpo caricato un'accelerazione aggiuntiva. Così come il campo magnetico di un corpo carico in movimento.
• I corpi osservati devono essere nel vuoto per evitare l'influenza dei flussi di massa d'aria sui risultati delle osservazioni.

Legge di Coulomb ed elettrodinamica quantistica

Dal punto di vista dell'elettrodinamica quantistica, l'interazione dei corpi carichi avviene attraverso lo scambio di fotoni virtuali. L'esistenza di tali particelle non osservabili e di massa zero ma non di carica nulla è indirettamente supportata dal principio di indeterminazione. Secondo questo principio, un fotone virtuale può esistere tra i momenti di emissione di tale particella e il suo assorbimento. Minore è la distanza tra i corpi, minore è il tempo che il fotone trascorre nel passaggio del percorso, quindi maggiore è l'energia dei fotoni emessi. A una piccola distanza tra le cariche osservate, il principio di indeterminazione consente lo scambio di particelle sia a onde corte che a onde lunghe e, a grandi distanze, i fotoni a onde corte non partecipano allo scambio.

Ci sono limiti all'applicazione della legge di Coulomb

La legge di Coulomb spiega pienamente il comportamento di due cariche puntiformi nel vuoto. Ma quando si parla di corpi reali, bisogna tener conto delle dimensioni volumetriche dei corpi carichi e delle caratteristiche del mezzo in cui si effettua l'osservazione. Ad esempio, alcuni ricercatori hanno osservato che un corpo che trasporta una piccola carica ed è portato con la forza nel campo elettrico di un altro oggetto con una grande carica inizia ad essere attratto da questa carica. In questo caso, l'affermazione che corpi caricati in modo simile si respingono a vicenda fallisce e dovrebbe essere cercata un'altra spiegazione per il fenomeno osservato. Molto probabilmente non qui in questione sulla violazione della legge di Coulomb o del principio di conservazione della carica elettrica - è possibile che stiamo osservando fenomeni che non sono stati completamente studiati fino alla fine, che la scienza sarà in grado di spiegare poco dopo.