что можно определить с помощью закона кулона

Закон Кулона — это фундаментальный закон электростатики, который описывает силу взаимодействия между двумя точечными зарядами. Этот закон был открыт французским физиком Шарлем-Огюстом Кулоном в 1785 году и стал основой для изучения электрических полей и зарядов. С помощью закона Кулона можно определить несколько ключевых параметров, связанных с электростатическими силами, а именно:

1. Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами

Закон Кулона позволяет вычислить силу, с которой два точечных заряда взаимодействуют друг с другом. Сила пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула закона Кулона:

$$F=k_e\frac{|q_1{q}_2|}{r^2}$$

где:

• $F$ — сила взаимодействия (в Ньютонах),

• $k_e$ — электрическая постоянная ($k_e\approx 8.99\times 10^9{\text{Нcdotpм}}^2/{\text{Кл}}^2$),

• $q_1$ и $q_2$ — величины зарядов (в Кулонах),

• $r$ — расстояние между зарядами (в метрах).

Закон Кулона говорит, что сила взаимодействия между двумя зарядами зависит от величины этих зарядов и расстояния между ними. Если заряды одинакового знака (оба положительные или оба отрицательные), сила будет отталкивающей, если заряды противоположного знака (один положительный, другой отрицательный), то сила будет притягивающей.

2. Направление силы взаимодействия

Сила, действующая между двумя зарядами, всегда направлена вдоль линии, соединяющей эти два заряда. Если заряды одноимённые, то сила будет направлена вдоль линии, отталкивая заряды друг от друга. Если заряды разноимённые, то сила будет направлена вдоль линии, притягивая заряды друг к другу.

3. Влияние расстояния на силу взаимодействия

Сила между двумя точечными зарядами зависит от квадрата расстояния между ними. Это означает, что если расстояние между зарядами удваивается, сила взаимодействия уменьшается в четыре раза. Это свойство напоминает закон обратных квадратов, характерный для множества физических явлений, таких как гравитация и световое излучение.

4. Электрическое поле, создаваемое зарядом

Закон Кулона используется для описания электрических полей, которые создают заряды. Электрическое поле — это векторное поле, которое характеризует взаимодействие заряженных частиц с другими зарядами в его области.

Например, сила, действующая на заряд $q$, помещённый в электрическое поле, создаваемое зарядом $Q$, может быть определена с помощью закона Кулона:

$$F=qE$$

где $E$ — интенсивность электрического поля, создаваемого зарядом $Q$, и вычисляется по формуле:

$$E=k_e\frac{|Q|}{r^2}$$

Электрическое поле также зависит от расстояния, и его величина пропорциональна заряду, создающему это поле, и обратно пропорциональна квадрату расстояния до заряда.

5. Принципы суперпозиции сил

Закон Кулона выполняется в рамках принципа суперпозиции, что означает, что если на заряд действует несколько других зарядов, то результирующая сила будет векторной суммой сил, которые эти заряды действуют на него. Таким образом, можно определить общую силу взаимодействия заряда с множеством других зарядов.

Например, если на точечный заряд действует несколько других зарядов, то для вычисления результирующей силы мы складываем все силы, действующие от каждого из этих зарядов. Направление каждой силы определяется с учётом знаков зарядов и их расположения.

6. Определение характеристик среды

Закон Кулона также позволяет определить свойства среды, через которую происходит взаимодействие зарядов. В вакууме $k_e$ имеет постоянное значение, однако в средах с диэлектрическими свойствами (например, в воде или стекле) значение постоянной изменяется, и вводится диэлектрическая проницаемость среды $\epsilon$, которая изменяет формулу закона Кулона:

$$F=\frac{1}{4\pi \epsilon }\frac{|q_1{q}_2|}{r^2}$$

где $\epsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме ${\epsilon }_0$ имеет определённое значение, а в других материалах оно может быть больше единицы.

7. Применение для расчетов в электрических цепях

Закон Кулона важен для понимания того, как заряды взаимодействуют в различных электрических устройствах. Например, в конденсаторах, электрических двигателях и других устройствах, где играют роль силы взаимодействия между зарядами.

8. Электростатическое равновесие

Закон Кулона также позволяет определить точки электростатического равновесия. Это важное понятие в изучении, например, зарядов на проводниках, когда все силы, действующие на заряды, уравновешены, и заряд больше не испытывает ускорения.

9. Энергия взаимодействия зарядов

Закон Кулона может быть использован для расчета потенциальной энергии взаимодействия двух точечных зарядов. Потенциальная энергия $U$, которая связана с взаимодействием двух зарядов $q_1$ и $q_2$, выражается формулой:

$$U=k_e\frac{q_1{q}_2}{r}$$

Эта энергия может быть использована для определения работы, совершаемой при перемещении одного заряда в поле другого.

Заключение

Закон Кулона позволяет решать разнообразные задачи, связанные с электростатическими силами и полями, а также дает ключевые определения для всех явлений, связанных с зарядом. Он лежит в основе многих теорий и технологий в физике и инженерии, начиная от простых электрических цепей и заканчивая сложными системами, как конденсаторы, электрические поля в полупроводниках и т.д.