Lei de Coulomb, definição e fórmula - cargas elétricas puntiformes e sua interação

Entre corpos carregados existe uma força de interação devido à qual eles podem atrair ou repelir um ao outro. A lei de Coulomb descreve essa força, mostra o grau de sua ação, dependendo do tamanho e da forma do próprio corpo. Esta lei física será discutida neste artigo.

Fórmula da lei de Coulomb.

Contente

1 Cargas pontuais estacionárias
2 Equilíbrio de torção de Charles Coulomb
3 Fator de proporcionalidade k e constante elétrica
4 A direção da força de Coulomb e a forma vetorial da fórmula
5 Onde a lei de Coulomb é aplicada na prática
6 Direção das forças na lei de Coulomb
7 História da descoberta da lei

Cargas pontuais estacionárias

A lei de Coulomb se aplica a corpos estacionários que são muito menores que sua distância de outros objetos. Uma carga elétrica pontual é concentrada em tais corpos. Ao resolver problemas físicos, as dimensões dos corpos considerados são negligenciadas, porque eles realmente não importam.

Na prática, as cargas pontuais em repouso são representadas da seguinte forma:

Carga pontual carregada positivamente q1.

Neste caso q₁ e q₂ - isto é positivo cargas elétricas, e a força de Coulomb atua sobre elas (não mostrada na figura). O tamanho das feições de ponto não importa.

Observação! As cargas em repouso estão localizadas a uma determinada distância uma da outra, que em problemas geralmente é denotada pela letra r. Mais adiante no artigo, essas cobranças serão consideradas em um vácuo.

Equilíbrio de torção de Charles Coulomb

Este dispositivo, desenvolvido por Coulomb em 1777, ajudou a deduzir a dependência da força que mais tarde recebeu seu nome. Com sua ajuda, estuda-se a interação de cargas pontuais, bem como pólos magnéticos.

Uma balança de torção tem um pequeno fio de seda localizado em um plano vertical do qual pende uma alavanca equilibrada. As cargas pontuais estão localizadas nas extremidades da alavanca.

Sob a ação de forças externas, a alavanca começa a se mover horizontalmente. A alavanca se moverá no plano até que seja equilibrada pela força elástica do fio.

No processo de movimento, a alavanca se desvia do eixo vertical em um certo ângulo. É tomado como d e é chamado de ângulo de rotação. Conhecendo o valor deste parâmetro, é possível encontrar o torque das forças que surgem.

O equilíbrio de torção de Charles Coulomb fica assim:

Balanço de torção de Charles Coulomb.

Fator de proporcionalidade k e constante elétrica $\varepsilon_0$

Na fórmula da lei de Coulomb existem parâmetros k - o coeficiente de proporcionalidade ou $\varepsilon_0$ é a constante elétrica. Constante elétrica $\varepsilon_0$ apresentado em muitos livros de referência, livros didáticos, na Internet, e não precisa ser contado! Fator de proporcionalidade de vácuo com base em $\varepsilon_0$ pode ser encontrado pela conhecida fórmula:

$k = \frac {1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}$

Aqui $\varepsilon_0=8.85\cdot 10^{-12} \frac {C^2}{H\cdot m^2}$ é a constante elétrica,

$\pi=3,14$ - Pi,

$k=9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ é o coeficiente de proporcionalidade no vácuo.

Informação adicional! Sem conhecer os parâmetros apresentados acima, não funcionará para encontrar a força de interação entre duas cargas elétricas pontuais.
Formulação e fórmula da lei de Coulomb

Para resumir o acima, é necessário dar a formulação oficial da principal lei da eletrostática. Toma a forma:

A força de interação de duas cargas puntiformes em repouso no vácuo é diretamente proporcional ao produto dessas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Além disso, o produto das cargas deve ser tomado módulo!

$F=k\cdot \frac {|q_1|\cdot |q_2|}{r^2}$

Nesta fórmula q₁ e q₂são cargas pontuais, consideradas corpos; r² - a distância no plano entre esses corpos, tomada no quadrado; k é o coeficiente de proporcionalidade ( $9\cdot 10^{9} \frac {H\cdot m^2}{C^2}$ para vácuo).

A direção da força de Coulomb e a forma vetorial da fórmula

Para uma compreensão completa da fórmula, a lei de Coulomb pode ser visualizada:

A direção da força de Coulomb para duas cargas puntiformes de mesma polaridade.

F_1,2- a força de interação da primeira carga em relação à segunda.

F_2,1- a força de interação da segunda carga em relação à primeira.

Além disso, ao resolver problemas de eletrostática, é necessário levar em consideração uma regra importante: cargas elétricas de mesmo nome se repelem e cargas opostas se atraem. A localização das forças de interação na figura depende disso.

Se forem consideradas cargas opostas, as forças de sua interação serão direcionadas uma para a outra, representando sua atração.

Direção da força de Coulomb para duas cargas puntiformes de polaridade diferente.

A fórmula da lei básica da eletrostática na forma vetorial pode ser representada da seguinte forma:

$\vec F_1_2=\frac {1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}\cdot \frac {q_1\cdot q_2}{r_1_2^3}\cdot \vec r_1_2$

$\vec F_1_2$ é a força que atua sobre a carga pontual q1, do lado da carga q2,

$\vec r_1_2$ é o raio vetor conectando a carga q2 com a carga q1,

$r=|\vec r_1_2|$

Importante! Tendo escrito a fórmula na forma vetorial, as forças de interação de duas cargas elétricas pontuais precisarão ser projetadas no eixo para colocar os sinais corretamente. Esta ação é uma formalidade e muitas vezes é realizada mentalmente sem quaisquer notas.

Onde a lei de Coulomb é aplicada na prática

A lei básica da eletrostática é a descoberta mais importante de Charles Coulomb, que encontrou sua aplicação em muitas áreas.

As obras do famoso físico foram usadas no processo de invenção de vários dispositivos, dispositivos, aparelhos. Por exemplo, um pára-raios.

Com a ajuda de um pára-raios, edifícios residenciais e edifícios são protegidos contra raios durante uma tempestade. Assim, o grau de proteção dos equipamentos elétricos é aumentado.

O pára-raios funciona de acordo com o seguinte princípio: durante uma tempestade, cargas de indução fortes gradualmente começam a se acumular no solo, que sobem e são atraídas pelas nuvens. Neste caso, um campo elétrico bastante grande é formado no solo. Perto do pára-raios, o campo elétrico se torna mais forte, devido ao qual uma carga elétrica corona é inflamada na ponta do dispositivo.

Além disso, a carga formada no solo começa a ser atraída pela carga da nuvem de sinal oposto, como deveria ser de acordo com a lei de Charles Coulomb. Depois disso, o ar passa pelo processo de ionização, e a força do campo elétrico torna-se menor perto da extremidade do para-raios. Assim, o risco de um raio entrar no edifício é mínimo.

Observação! Se o prédio em que o pára-raios está instalado for atingido, não haverá fogo e toda a energia será direcionada para o solo.

Com base na lei de Coulomb, foi desenvolvido um dispositivo chamado "Acelerador de Partículas", que é muito procurado atualmente.

Neste dispositivo, um forte campo elétrico é criado, o que aumenta a energia das partículas que caem nele.

Direção das forças na lei de Coulomb

Como mencionado acima, a direção das forças de interação de duas cargas elétricas pontuais depende de sua polaridade. Aqueles. Cargas de mesmo nome se repelem e cargas de cargas opostas se atraem.

As forças de Coulomb também podem ser chamadas de vetor raio, porque eles são direcionados ao longo da linha traçada entre eles.

Em alguns problemas físicos, são dados corpos de forma complexa, que não podem ser tomados por uma carga elétrica pontual, ou seja, ignore seu tamanho. Nesta situação, o corpo considerado deve ser dividido em várias partes pequenas e cada parte deve ser calculada separadamente, usando a lei de Coulomb.

Os vetores de força obtidos por divisão são resumidos de acordo com as regras da álgebra e geometria. O resultado é a força resultante, que será a resposta para este problema. Este método de resolução é frequentemente chamado de método do triângulo.

A direção dos vetores de força de Coulomb.

História da descoberta da lei

As interações de duas cargas puntiformes pela lei considerada acima foram provadas pela primeira vez em 1785 por Charles Coulomb. O físico conseguiu provar a veracidade da lei formulada usando balanças de torção, cujo princípio de funcionamento também foi apresentado no artigo.

Coulomb também provou que não há carga elétrica dentro de um capacitor esférico. Então ele chegou à afirmação de que a magnitude das forças eletrostáticas pode ser alterada alterando a distância entre os corpos em consideração.

Assim, a lei de Coulomb ainda é a lei mais importante da eletrostática, com base na qual foram feitas muitas das maiores descobertas. No âmbito deste artigo, foi apresentada a redação oficial da lei, bem como descritas detalhadamente suas partes constitutivas.

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