חוק קולומב ויישומו בהנדסת חשמל
בדיוק כמו במכניקה הניוטונית, אינטראקציה כבידתית מתרחשת תמיד בין גופים בעלי מסות, בדומה לאלקטרודינמיקה, אינטראקציה חשמלית אופיינית לגופים עם מטענים חשמליים. מטען חשמלי מסומן בסמל «q» או «Q».
אנו יכולים אפילו לומר שהמושג של מטען חשמלי q באלקטרודינמיקה דומה במקצת למושג מסה כבידה m במכניקה. אבל בניגוד למסה כבידה, מטען חשמלי מאפיין את תכונתם של גופים וחלקיקים להיכנס לאינטראקציות אלקטרומגנטיות, ואינטראקציות אלו, כפי שאתם מבינים, אינן כבידה.
מטענים חשמליים
הניסיון האנושי בחקר תופעות חשמליות מכיל תוצאות ניסוי רבות, וכל העובדות הללו אפשרו לפיזיקאים להגיע למסקנות החד משמעיות הבאות לגבי מטענים חשמליים:
1. מטענים חשמליים הם משני סוגים - בתנאי שניתן לחלק אותם לחיובי ושלילי.
2.ניתן להעביר מטענים חשמליים מחפץ טעון אחד למשנהו: למשל על ידי מגע עם גופים זה עם זה - ניתן להפריד את המטען ביניהם. במקרה זה, המטען החשמלי אינו מרכיב חובה בגוף כלל: בתנאים שונים, לאותו עצם יכול להיות מטען בגודל ובסימן שונה, או שאין לו מטען. לפיכך המטען אינו משהו הטבוע במנשא, ויחד עם זאת המטען אינו יכול להתקיים ללא המוביל.
3. בעוד שגופים משיכה תמיד מושכים זה את זה, מטענים חשמליים יכולים גם למשוך זה את זה וגם לדחות זה את זה. כמו מטענים מושכים הדדית, כמו מטענים דוחים.
נושאי מטען הם אלקטרונים, פרוטונים וחלקיקים יסודיים אחרים. ישנם שני סוגים של מטענים חשמליים - חיוביים ושליליים. המטענים החיוביים הם אלה המופיעים על הזכוכית המשופפת בעור. שלילי - מטענים המתרחשים על ענבר משופשף בפרווה. הרשויות המואשמות באישומים באותו שם דוחקים לאחור. עצמים בעלי מטענים מנוגדים מושכים זה את זה.
חוק שימור המטען החשמלי הוא חוק יסוד של הטבע, הוא קורא כך: "הסכום האלגברי של המטענים של כל הגופים במערכת מבודדת נשאר קבוע". המשמעות היא שבמערכת סגורה, הופעה או היעלמות של מטענים עבור שלט אחד בלבד היא בלתי אפשרית.
הסכום האלגברי של מטענים במערכת מבודדת נשמר קבוע. נושאי מטען יכולים לנוע מגוף אחד למשנהו או לנוע בתוך גוף, במולקולה, אטום. האישום אינו תלוי במסגרת ההתייחסות.
כיום, התפיסה המדעית היא שבמקור נושאי מטען היו חלקיקים יסודיים.חלקיקים יסודיים נויטרונים (ניטרליים מבחינה חשמלית), פרוטונים (טעונים חיובית) ואלקטרונים (טעונים שלילי) מרכיבים אטומים.
גרעיני האטומים מורכבים מפרוטונים ונויטרונים, והאלקטרונים יוצרים את הקליפות של האטומים. המודולים של המטענים של אלקטרון ופרוטון שווים בגודלם למטען היסודי e, אך בסימן המטענים של חלקיקים אלה מנוגדים זה לזה.
אינטראקציה של מטענים חשמליים - חוק קולומב
באשר לאינטראקציה הישירה של מטענים חשמליים זה עם זה, אז בשנת 1785 קבע ותיאר הפיזיקאי הצרפתי שארל קולומב בניסוי את החוק הבסיסי הזה של האלקטרוסטטיקה, חוק הטבע הבסיסי, שאינו נובע מכל חוקים אחרים. בעבודתו, המדען חוקר את האינטראקציה של גופים טעוני נקודה נייחים ומודד את כוחות הדחייה והמשיכה ההדדית שלהם.
קולומב קבע בניסוי את הדברים הבאים: "כוחות האינטראקציה של מטענים נייחים עומדים ביחס ישר למכפלת המודולים ובפרופורציות הפוך לריבוע המרחק ביניהם."
זהו הניסוח של חוק קולומב. ולמרות שמטענים נקודתיים אינם קיימים בטבע, רק במונחים של מטענים נקודתיים ניתן לדבר על המרחק ביניהם, במסגרת הניסוח הזה של חוק קולומב.
למעשה, אם המרחקים בין הגופים עולים משמעותית על גודלם, אז לא הגודל או הצורה של הגופים הטעונים ישפיעו במיוחד על האינטראקציה ביניהם, מה שאומר שהגופים לבעיה זו יכולים להיחשב נקודתיים.
בואו נסתכל על דוגמה. בואו נתלה כמה כדורים טעונים על חוטים.מכיוון שהם טעונים בדרך כלשהי, הם ידחו או ימשכו. מכיוון שהכוחות מכוונים לאורך קו ישר המחבר את הגופים הללו, אלו הם כוחות מרכזיים.
כדי לציין את הכוחות הפועלים על כל אחד מהמטענים מהאחר, נכתוב: F12 הוא כוחו של המטען השני על הראשון, F21 הוא כוחו של המטען הראשון על השני, r12 הוא וקטור הרדיוס מהשני. נקודת טעינה לראשון. אם למטענים יש אותו סימן, אזי הכוח F12 יופנה במשותף לווקטור הרדיוס, אך אם למטענים יש סימנים שונים, אזי הכוח F12 יופנה כנגד וקטור הרדיוס.
באמצעות חוק האינטראקציה של מטענים נקודתיים (חוק קולומב), ניתן למצוא כעת את כוח האינטראקציה עבור כל מטענים נקודתיים או גופי מטען נקודתיים. אם הגופים אינם בצורת נקודה, הם מפורקים נפשית לפסטלים של אלמנטים, שכל אחד מהם יכול להיחשב כמטען נקודתי.
לאחר מציאת הכוחות הפועלים בין כל היסודות הקטנים, הכוחות הללו מתצטברים מבחינה גיאומטרית - הם מוצאים את הכוח שנוצר. חלקיקים יסודיים גם מקיימים אינטראקציה זה עם זה על פי חוק קולומב, ועד היום לא נצפו הפרות של החוק היסודי הזה של אלקטרוסטטיקה.
יישום חוק קולומב בהנדסת חשמל
אין תחום בהנדסת חשמל מודרנית שבו חוק קולומב אינו פועל בצורה כזו או אחרת. החל בזרם חשמלי וכלה בקבל טעון פשוט. במיוחד אותם תחומים שעוסקים באלקטרוסטטיקה - הם קשורים ב-100% לחוק של קולומב. בואו נסתכל רק על כמה דוגמאות.
המקרה הפשוט ביותר הוא הכנסת דיאלקטרי.כוח האינטראקציה של מטענים בוואקום תמיד גדול יותר מכוח האינטראקציה של אותם מטענים בתנאים שבהם מונח דיאלקטרי כלשהו ביניהם.
הקבוע הדיאלקטרי של תווך הוא בדיוק הערך שמאפשר לקבוע כמותית את ערכי הכוחות, ללא קשר למרחק בין המטענים לגדלים שלהם. די לחלק את כוח האינטראקציה של מטענים בוואקום בקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי המוכנס - אנו מקבלים את כוח האינטראקציה בנוכחות דיאלקטרי.
ציוד מחקר מתוחכם - מאיץ חלקיקים. פעולתם של מאיצי חלקיקים טעונים מבוססת על תופעת האינטראקציה של שדה חשמלי וחלקיקים טעונים. השדה החשמלי אכן פועל במאיץ, ומגדיל את האנרגיה של החלקיק.
אם נתייחס כאן לחלקיק המואץ כמטען נקודתי, ואת פעולת השדה החשמלי המאיץ של המאיץ ככוח הכולל ממטענים נקודתיים אחרים, הרי שבמקרה זה חוק קולומב מתקיים במלואו.השדה המגנטי מכוון את החלקיק רק דרך כוח לורנץ, אך אינו משנה את האנרגיה שלו, אלא רק קובע את מסלול התנועה של חלקיקים במאיץ.
מבנים חשמליים מגנים. מתקנים חשמליים חשובים מצוידים תמיד במשהו פשוט במבט ראשון כמו מטה ברק. וגם מטה הברק במלאכתו אינו עובר בלי שמירת חוק קולומב. במהלך סופת רעמים מופיעים מטענים גדולים המושרים על פני כדור הארץ - על פי חוק קולומב, הם נמשכים לכיוון ענן סופת הרעם. התוצאה היא שדה חשמלי חזק על פני כדור הארץ.
עוצמת השדה הזה גבוהה במיוחד ליד מוליכים חדים, ולכן נדלקת פריקה עטרה בקצה המחודד של מוט הברק - המטען מכדור הארץ נוטה, בהתאם לחוק קולומב, להימשך על ידי המטען ההפוך של ברק הרעם. ענן.
האוויר ליד מוט הברק מיונן מאוד כתוצאה מפריקת הקורונה. כתוצאה מכך, עוצמת השדה החשמלי ליד הקצה פוחתת (כמו גם בתוך כל חוט), מטענים המושרים אינם יכולים להצטבר על הבניין, וההסתברות לברק פוחתת. אם במקרה פוגע ברק במוט הברק, המטען פשוט יעבור לכדור הארץ ולא יפגע במתקן.