Sheria ya Coulomb

Katika makala kuhusu chaji ya umeme kutoka aina za chaji ya umeme Inaelezwa kwamba kama vile chaji za umeme zinavyorudishana huku tofauti na chaji za umeme zikivutiana. Kwa maneno mengine, vitu vyenye chaji chanya huvutia vitu vyenye chaji hasi, vitu vyenye chaji chanya hurudisha vitu vyenye chaji chanya, na vitu vyenye chaji hasi hurudisha vitu vyenye chaji hasi. Jambo hili linaonyesha kuwepo kwa nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye vitu vyenye chaji chanya na vitu vyenye chaji hasi. Ni mambo gani yanayoathiri ukubwa wa nguvu ya umeme kati ya vitu vyenye chaji chanya?

Mwanafizikia wa Kifaransa Charles Coulomb (1736–1806) alifanya mfululizo wa majaribio katika miaka ya 1780 ili kuchunguza mambo yanayoathiri ukubwa wa nguvu ya umeme kati ya vitu vinavyochajiwa kwa umeme. Kifaa kilichotumiwa na Coulomb kilikuwa sawa na kile ambacho Cavendish alitumia kuchunguza kigezo cha uvutano, kinachoitwa usawa wa torsion. Coulomb alichunguza nguvu ya umeme, kwa hivyo alitumia mipira miwili ya chuma inayochajiwa kwa umeme, huku Cavendish akichunguza nguvu ya uvutano, kwa hivyo alitumia mipira miwili ya uzito isiyochajiwa kwa umeme.

Jinsi kipimo cha torque kinavyofanya kazi  

 
Jinsi kipimo cha torque kinavyofanya kazi kunahusiana na mada torque au wakati wa nguvu katika sura mienendo ya mzunguko.
Nafasi katika usawa wa msokoto ni ombwe ili kuzuia chaji ya umeme kwenye mpira mgumu isihamishwe hewani. Uamuzi wa kiasi cha chaji ya umeme kwenye mpira mgumu hufanywa kwa kutumia njia ifuatayo. Hapo awali, mpira mgumu A huchajiwa kwa umeme kupitia upitishaji au msuguano. Mpira mgumu A ambao umechajiwa kwa umeme umeunganishwa na mpira mgumu B ambao bado hauna upande wowote kwa kutumia kondakta wa umeme hadi chaji ya umeme ya mpira mgumu A igawanywe sawasawa na mpira mgumu B. Ikiwa kiasi cha chaji ya umeme ya mpira mgumu A ni ½ basi kiasi cha chaji ya umeme ya mpira mgumu B ni ½. Kisha, mpira mgumu B na mpira mgumu C huunganishwa na kondakta wa umeme hadi chaji ya umeme ya mpira mgumu B igawanywe sawasawa na mpira mgumu C. Ikiwa kiasi cha chaji ya umeme ya mpira mgumu B ni ¼ basi kiasi cha chaji ya umeme ya mpira mgumu C ni ¼. Kiasi cha chaji ya umeme na aina ya chaji ya umeme ya mpira mgumu 1 na mpira mgumu 2 hupatikana kwa njia hii.

Duara imara 1 na duara imara 2 huchajiwa kwa umeme ili duara mbili imara zirudiane ikiwa duara mbili zina chaji sawa ya umeme au kuvutiana ikiwa duara mbili zina chaji tofauti za umeme. Uwepo wa nguvu ya kuvutia au ya kurudisha nyuma kati ya duara mbili imara zenye chaji ya umeme husababisha duara imara 2 kuzunguka. Pembe ya usafiri wa duara imara 2 hupimwa ili kubaini nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye duara mbili imara.

Mambo yanayoathiri nguvu ya umeme

Kulingana na majaribio yaliyofanywa kwa kutumia usawa wa msokoto, Coulomb aligundua mambo kadhaa.
– Katika jaribio hili, umbali kati ya mipira miwili imara huwa sawa kila wakati. Wakati kiasi cha chaji ya umeme kwenye mpira imara 1 ni 1 na kiasi cha chaji ya umeme kwenye mpira imara 2 ni 1 basi nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye mipira yote miwili imara ni 1. Wakati kiasi cha chaji ya umeme kwenye mpira imara 1 ni 2 na kiasi cha chaji ya umeme kwenye mpira imara 2 ni 2 basi nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye mipira yote miwili imara ni 4. Coulomb alihitimisha kwamba ukubwa wa nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye mipira yote miwili imara ni sawia na matokeo ya kiasi cha chaji kwenye mipira yote miwili imara (F ≈ q₁ q₂).
– Katika jaribio hili, kiasi cha chaji kwenye mipira yote miwili imara huwa sawa kila wakati. Ikiwa umbali kati ya mipira miwili imara ni 1 basi nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye mipira yote miwili imara ni 1. Ikiwa umbali kati ya mipira miwili imara ni 2 basi nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye mipira yote miwili imara ni ¼. Coulomb alihitimisha kwamba ukubwa wa nguvu ya umeme inayofanya kazi kwenye mipira yote miwili imara ni sawia na mraba wa umbali (F ≈ 1 / r).²)

Sheria ya Coulomb

Sheria ya Coulomb ni sheria ya fizikia inayoelezea uhusiano kati ya nguvu ya umeme, chaji ya umeme, na umbali kati ya chaji. Sheria hii iliundwa kulingana na majaribio ya Coulomb, kama ilivyoelezwa katika makala iliyotangulia.

Sheria ya Coulomb inasema kwamba ukubwa wa nguvu inayotolewa na chembe iliyochajiwa kwa umeme kwenye chembe nyingine iliyochajiwa kwa umeme ni sawa na matokeo ya jumla ya chaji za chembe hizo mbili na kinyume chake ni sawa na mraba wa umbali kati ya chembe hizo mbili zilizochajiwa kwa umeme. Nguvu hii hufanya kazi kwa mstari ulionyooka unaounganisha chembe hizo mbili. Nguvu ya umeme ni ya kuchukiza ikiwa chaji za umeme za chembe hizo mbili ni sawa na nguvu ya umeme inavutia ikiwa chaji za umeme za chembe hizo mbili si sawa.

Sheria ya Coulomb inaweza kuonyeshwa katika mlinganyo wa hisabati:
Maelezo ya fomula:
F₁₂ = nguvu ya umeme kati ya chembe 1 na chembe 2
q₁ = idadi ya chaji za chembe 1
q₂ = idadi ya chaji za umeme za chembe 2
r₁₂ = umbali kati ya chembe 1 na chembe 2
(soma: epsilon sifuri) = 8,854 x 10^-12 C²/Nm²
k = (kigezo cha Coulomb) = 9 x 10⁹ Nm²/C²
F₂₁ ni nguvu inayotolewa na chaji q₂ kwa malipo q₁, huku F₁₂ ni nguvu inayotolewa na chaji q₁ kwa malipo q₂. F₂₁ na F₁₂ kurudishana nguvu wakati shambulio ni q₁ na q₂ zinafanana na huvutiana wakati chaji ni q₁ na q₂ si aina moja.
F₂₁ na F₁₂ zina thamani sawa, mwelekeo kinyume na hutenda kwenye vitu tofauti, kwa hivyo nguvu hizi mbili ni jozi ya nguvu ya mmenyuko-kitendo.