Coulombin laki

Artikkelissa aiheesta sähkövaraus dan sähkövarauksen tyypit Selitetään, että samanlaiset sähkövaraukset hylkivät toisiaan, kun taas erilaiset sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa. Toisin sanoen positiivisesti varautuneet kappaleet vetävät puoleensa negatiivisesti varautuneita kappaleita, positiivisesti varautuneet kappaleet hylkivät positiivisesti varautuneita kappaleita ja negatiivisesti varautuneet kappaleet hylkivät negatiivisesti varautuneita kappaleita. Tämä ilmiö osoittaa, että sähköinen voima vaikuttaa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneisiin kappaleisiin. Mitkä tekijät vaikuttavat sähkövoiman suuruuteen sähköisesti varautuneiden kappaleiden välillä?

Ranskalainen fyysikko Charles Coulomb (1736–1806) suoritti 1780-luvulla sarjan kokeita tutkiakseen tekijöitä, jotka vaikuttavat sähköisesti varautuneiden kappaleiden välisen sähkövoiman suuruuteen. Coulombin käyttämä laite oli samanlainen kuin Cavendishin käyttämä laite gravitaatiovakion tutkimiseen, jota kutsutaan vääntövaa'aksi. Coulomb tutki sähkövoimaa ja käytti siksi kahta sähköisesti varautunutta metallipalloa, kun taas Cavendish tutki gravitaatiovoimaa ja käytti siksi kahta sähköisesti varaamatonta massapalloa.

Vääntömomenttiasteikon toimintaperiaate  

 
Vääntömomenttiasteikon toimintatapa liittyy aiheeseen vääntömomentti tai voimamomentti luvussa pyörimisdynamiikka.
Vääntövaa'an tila on tyhjiö, jotta kiinteän pallon sähkövaraus ei siirtyisi ilmaan. Kiinteän pallon sähkövarauksen määrä määritetään seuraavalla menetelmällä. Aluksi kiinteä pallo A varataan sähköisesti johtamalla tai kitkalla. Sähköisesti varattu kiinteä pallo A yhdistetään edelleen neutraaliin kiinteään palloon B sähköjohtimella, kunnes kiinteän pallon A sähkövaraus on tasan jakautunut kiinteän pallon B kanssa. Jos kiinteän pallon A sähkövaraus on ½, niin kiinteän pallon B sähkövaraus on ½. Seuraavaksi kiinteät pallot B ja kiinteät pallot C yhdistetään sähköjohtimella, kunnes kiinteän pallon B sähkövaraus on tasan jakautunut kiinteän pallon C kanssa. Jos kiinteän pallon B sähkövaraus on ¼, niin kiinteän pallon C sähkövaraus on ¼. Kiinteän pallon 1 ja kiinteän pallon 2 sähkövarauksen määrä ja tyyppi saadaan tällä tavalla.

Kiinteät pallot 1 ja 2 ovat sähköisesti varautuneita siten, että ne hylkivät toisiaan, jos niillä on sama sähkövaraus, tai vetävät toisiaan puoleensa, jos niillä on eri sähkövaraukset. Kahden sähköisesti varautuneen kiinteän pallon välinen vetovoima tai hylkivä voima saa kiinteän pallon 2 pyörimään. Kiinteän pallon 2 liikekulma mitataan, jotta voidaan määrittää kahteen kiinteään palloon vaikuttava sähköinen voima.

Sähkövoimaan vaikuttavat tekijät

Vääntövaa'alla tehtyjen kokeiden perusteella Coulomb löysi useita asioita.
– Tässä kokeessa kahden kiinteän pallon välinen etäisyys on aina sama. Kun kiinteän pallon 1 sähkövarauksen määrä on 1 ja kiinteän pallon 2 sähkövarauksen määrä on 1, molempiin kiinteisiin palloihin vaikuttava sähkövoima on 1. Kun kiinteän pallon 1 sähkövarauksen määrä on 2 ja kiinteän pallon 2 sähkövarauksen määrä on 2, molempiin kiinteisiin palloihin vaikuttava sähkövoima on 4. Coulomb päätteli, että molempiin kiinteisiin palloihin vaikuttavan sähkövoiman suuruus on verrannollinen molempien kiinteiden pallojen varausmäärien tuloon (F ≈ q₁ q₂).
– Tässä kokeessa molempien kiinteiden pallojen varaus on aina sama. Jos kahden kiinteiden pallojen välinen etäisyys on 1, niin molempiin kiinteisiin palloihin vaikuttava sähkövoima on 1. Jos kahden kiinteiden pallojen välinen etäisyys on 2, niin molempiin kiinteisiin palloihin vaikuttava sähkövoima on ¼. Coulomb päätteli, että molempiin kiinteisiin palloihin vaikuttavan sähkövoiman suuruus on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön (F ≈ 1 / r²)

Coulombin laki

Coulombin laki on fysiikan laki, joka selittää sähkövoiman, sähkövarauksen ja varausten välisen etäisyyden välisen suhteen. Tämä laki muotoiltiin Coulombin kokeiden perusteella, kuten edellisessä artikkelissa selitettiin.

Coulombin laki väittää, että sähköisesti varautuneen hiukkasen toiseen sähköisesti varautuneeseen hiukkaseen kohdistaman voiman suuruus on suoraan verrannollinen kahden hiukkasen varausten summatuloon ja kääntäen verrannollinen kahden sähköisesti varautuneen hiukkasen välisen etäisyyden neliöön. Tämä voima vaikuttaa hiukkasia yhdistävään suoraviivaan päin. Sähköinen voima on hylkivä, jos hiukkasten sähkövaraukset ovat samat, ja sähköinen voima on vetävä, jos hiukkasten sähkövaraukset eivät ole samat.

Coulombin laki voidaan ilmaista matemaattisella yhtälöllä:
Kaavan kuvaus:
F₁₂ = sähkövoima hiukkasen 1 ja hiukkasen 2 välillä
q₁ = hiukkasvarausten lukumäärä 1
q₂ = hiukkasen 2 sähkövarausten lukumäärä
r₁₂ = hiukkasen 1 ja hiukkasen 2 välinen etäisyys
(lue: epsilon nolla) = 8,854 x 10^-12 C²/Nm²
k = (Coulombin vakio) = 9 x 10⁹ nm²/C²
F₂₁ on varauksen q kohdistama voima₂ varauksella q₁, kun taas F₁₂ on varauksen q kohdistama voima₁ varauksella q₂. F₂₁ ja F₁₂ hylkivät toisiaan, kun varaus on q₁ ja q₂ samankaltaisia ​​ja vetävät toisiaan puoleensa, kun varaus on q₁ ja q₂ ei samaa tyyppiä.
F₂₁ ja F₁₂ ovat samanarvoisia, suuntautuvat vastakkaiseen suuntaan ja vaikuttavat eri kappaleisiin, joten nämä kaksi voimaa muodostavat toiminta-reaktiovoima-parin.