قانون كولوم وتطبيقاته في الهندسة الكهربائية

كما هو الحال في ميكانيكا نيوتن ، يحدث تفاعل الجاذبية دائمًا بين الأجسام ذات الكتل ، على غرار الديناميكا الكهربية ، يعتبر التفاعل الكهربائي سمة من سمات الأجسام ذات الشحنات الكهربائية. يُشار إلى الشحنة الكهربائية بالرمز «q» أو «Q».

يمكننا حتى أن نقول أن مفهوم الشحنة الكهربائية q في الديناميكا الكهربائية يشبه إلى حد ما مفهوم كتلة الجاذبية m في الميكانيكا. ولكن على عكس كتلة الجاذبية ، فإن الشحنة الكهربائية تميز خاصية الأجسام والجسيمات للدخول في التفاعلات الكهرومغناطيسية ، وهذه التفاعلات ، كما تعلمون ، ليست جاذبية.

الشحنات الكهربائية

تحتوي التجربة البشرية في دراسة الظواهر الكهربائية على العديد من النتائج التجريبية ، وكل هذه الحقائق سمحت للفيزيائيين بالتوصل إلى الاستنتاجات التالية الواضحة حول الشحنات الكهربائية:

1. الشحنات الكهربائية من نوعين - بشرط يمكن تقسيمها إلى موجبة وسالبة.

2.يمكن نقل الشحنات الكهربائية من جسم مشحون إلى آخر: على سبيل المثال ، عن طريق ملامسة الأجسام مع بعضها البعض - يمكن فصل الشحنة بينهما. في هذه الحالة ، الشحنة الكهربائية ليست مكونًا إلزاميًا للجسم على الإطلاق: في ظل ظروف مختلفة ، قد يكون لنفس الجسم شحنة ذات حجم مختلف وإشارة مختلفة ، أو قد لا يكون له شحنة. وبالتالي فإن الشحنة ليست شيئًا متأصلًا في الناقل ، وفي نفس الوقت لا يمكن أن توجد الشحنة بدون الناقل.

3. بينما تجذب الأجسام الجاذبة بعضها البعض دائمًا ، فإن الشحنات الكهربائية يمكن أن تجذب بعضها البعض وتتنافر. مثل الشحنات تجتذب بعضها البعض ، مثل الشحنات تتنافر.

حاملات الشحنة هي الإلكترونات والبروتونات والجسيمات الأولية الأخرى. هناك نوعان من الشحنات الكهربائية - موجبة وسالبة. الشحنات الإيجابية هي تلك التي تظهر على الزجاج المحشو بالجلد. سلبي - الرسوم التي تحدث على الكهرمان المُفرك بالفراء. ردت السلطات المتهمين بنفس الاسم. الأشياء ذات الرسوم المعاكسة تجذب بعضها البعض.

قانون حفظ الشحنة الكهربائية هو قانون أساسي في الطبيعة ، وهو يقرأ على هذا النحو: "يبقى المجموع الجبري لشحنات جميع الأجسام في نظام منعزل ثابتًا". هذا يعني أنه في نظام مغلق ، من المستحيل ظهور أو اختفاء الرسوم لعلامة واحدة فقط.

يبقى المجموع الجبري للشحنات في نظام معزول ثابتًا. يمكن أن تنتقل ناقلات الشحنة من جسم إلى آخر أو تتحرك داخل الجسم ، في جزيء ، ذرة. الشحنة مستقلة عن الإطار المرجعي.

اليوم ، وجهة النظر العلمية هي أن حاملات الشحنة كانت في الأصل جسيمات أولية.تتكون الذرات من الجسيمات الأولية مثل النيوترونات (المحايدة كهربائياً) والبروتونات (موجبة الشحنة) والإلكترونات (سالبة الشحنة).

تتكون نوى الذرات من البروتونات والنيوترونات ، وتشكل الإلكترونات أصداف الذرات. تتساوى مقاييس شحنتي الإلكترون والبروتون من حيث الحجم مع الشحنة الأولية e ، ولكن في إشارة إلى أن شحنات هذه الجسيمات معاكسة لبعضها البعض.

تفاعل الشحنات الكهربائية - قانون كولوم

أما بالنسبة للتفاعل المباشر بين الشحنات الكهربائية مع بعضها البعض ، ففي عام 1785 أسس الفيزيائي الفرنسي تشارلز كولوم بشكل تجريبي ووصف هذا القانون الأساسي للكهرباء الساكنة ، وهو القانون الأساسي للطبيعة ، والذي لا يتبع أي قوانين أخرى. يدرس العالم في عمله تفاعل الأجسام الثابتة المشحونة ويقيس قوى التنافر والجاذبية المتبادلة.

أنشأ كولوم تجريبيًا ما يلي: "تتناسب قوى تفاعل الشحنات الثابتة طرديًا مع ناتج الوحدات وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينها."

هذه هي صياغة قانون كولوم. وعلى الرغم من أن الشحنات النقطية غير موجودة في الطبيعة ، إلا أنه من حيث الشحنات النقطية فقط يمكننا التحدث عن المسافة بينهما ، ضمن هذه الصيغة لقانون كولوم.

في الواقع ، إذا كانت المسافات بين الأجسام تتجاوز أحجامها بشكل كبير ، فلن يؤثر حجم الأجسام المشحونة ولا شكلها بشكل خاص على تفاعلها ، مما يعني أنه يمكن اعتبار أجسام هذه المشكلة إلى حد ما شبيهة بالنقطة.

لنلقي نظرة على مثال. دعونا نعلق بعض الكرات المشحونة على الأوتار.لأنها مشحونة بطريقة ما ، فإنها إما سوف تنفر أو تجتذب. نظرًا لأن القوات يتم توجيهها على طول خط مستقيم يربط بين هذه الهيئات ، فهذه قوى مركزية.

للدلالة على القوى المؤثرة على كل من الشحنات من الأخرى ، سنكتب: F12 هي قوة الشحنة الثانية على الأولى ، F21 هي قوة الشحنة الأولى على الثانية ، r12 هي متجه نصف القطر من الثانية نقطة تهمة إلى الأول. إذا كانت الشحنات لها نفس العلامة ، فسيتم توجيه القوة F12 بشكل مشترك إلى متجه نصف القطر ، ولكن إذا كانت الشحنات لها علامات مختلفة ، فسيتم توجيه القوة F12 ضد متجه نصف القطر.

باستخدام قانون تفاعل الرسوم النقطية (قانون كولوم) ، يمكن الآن العثور على قوة التفاعل لأي رسوم نقطية أو أجسام شحنة نقطية. إذا لم تكن الأجسام على شكل نقطة ، يتم تقسيمها عقليًا إلى ألوان باستيل من العناصر ، يمكن اعتبار كل منها بمثابة شحنة نقطية.

بعد إيجاد القوى المؤثرة بين كل العناصر الصغيرة ، تتراكم هذه القوى هندسيًا - تجد القوة المحصلة. تتفاعل الجسيمات الأولية أيضًا مع بعضها البعض وفقًا لقانون كولوم ، وحتى الآن لم يتم ملاحظة أي انتهاكات لهذا القانون الأساسي للكهرباء الساكنة.

تطبيق قانون كولوم في الهندسة الكهربائية

لا يوجد مجال في الهندسة الكهربائية الحديثة لا يعمل فيه قانون كولوم بشكل أو بآخر. يبدأ بتيار كهربائي وينتهي بمكثف مشحون ببساطة. خاصة تلك المناطق التي تتعامل مع الكهرباء الساكنة - فهي مرتبطة بنسبة 100٪ بقانون كولوم. لنلقِ نظرة على بعض الأمثلة فقط.

أبسط حالة هي إدخال عازل.دائمًا ما تكون قوة تفاعل الشحنات في الفراغ أكبر من قوة التفاعل بين نفس الشحنات في ظل الظروف التي يتم فيها وضع نوع من العازل بينهما.

ثابت العزل الكهربائي للوسيط هو بالضبط تلك القيمة التي تسمح لك بتحديد قيم القوى كميًا ، بغض النظر عن المسافة بين الشحنات وأقدارها. يكفي تقسيم قوة تفاعل الشحنات في الفراغ على ثابت العزل الكهربائي للعزل الذي تم إدخاله - نحصل على قوة التفاعل في وجود عازل.

معدات بحثية متطورة - مسرع الجسيمات. يعتمد تشغيل مسرعات الجسيمات المشحونة على ظاهرة تفاعل المجال الكهربائي والجسيمات المشحونة. يعمل المجال الكهربائي في المسرع ، مما يزيد من طاقة الجسيم.

إذا اعتبرنا الجسيم المتسارع هنا بمثابة شحنة نقطية ، وعمل المجال الكهربائي المتسارع للمسرع كقوة إجمالية من شحنة نقطية أخرى ، في هذه الحالة يتم ملاحظة قانون كولوم بالكامل. يوجه المجال المغناطيسي الجسيم فقط من خلال قوة لورنتز ، لكنها لا تغير طاقتها ، ولكنها تحدد فقط مسار حركة الجسيمات في المسرع.

الهياكل الكهربائية الوقائية. تم تجهيز التركيبات الكهربائية المهمة دائمًا بشيء بسيط للوهلة الأولى مثل مانع الصواعق. ولا يمر مانع الصواعق في عمله أيضًا دون مراعاة قانون كولوم. أثناء عاصفة رعدية ، تظهر شحنات مستحثة كبيرة على الأرض - وفقًا لقانون كولوم ، تنجذب في اتجاه سحابة العاصفة الرعدية. والنتيجة هي وجود مجال كهربائي قوي على سطح الأرض.

تكون شدة هذا المجال عالية بشكل خاص بالقرب من الموصلات الحادة ، وبالتالي يتم اشتعال التفريغ الإكليلي في الطرف المدبب من الصاعقة - تميل الشحنة من الأرض ، وفقًا لقانون كولوم ، إلى الانجذاب إلى الشحنة المعاكسة للصاعقة. سحاب.

يتأين الهواء بالقرب من مانعة الصواعق بشدة نتيجة لتفريغ الهالة. نتيجة لذلك ، تقل قوة المجال الكهربائي بالقرب من الطرف (وكذلك داخل أي سلك) ، ولا يمكن أن تتراكم الشحنات المستحثة على المبنى ، كما تقل احتمالية البرق. إذا ضرب البرق قضيب الصواعق ، فإن الشحنة ستنتقل ببساطة إلى الأرض ولن تلحق الضرر بالتركيب.