Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Electromagnetism » Legea lui Coulomb

Legea lui Coulomb

Forța F între două sarcini punctuale q și Q
Valoarea absolută a forței F între două sarcini punctuale q și Q se referă la distanța dintre sarcinile punctuale și produsul simplu al sarcinilor lor. Diagrama arată că sarcinile de același semn se resping reciproc, iar sarcinile opuse se atrage reciproc. Sursa: Dna-Dennis, https://en.wikipedia.org/wiki/File:CoulombsLaw.svg, CC Attribution 3.0 Unported license

 

Legea lui Coulomb, sau legea inverso-pătrată a lui Coulomb, este o lege a fizicii care descrie forța care interacționează între particulele statice încărcate electric. În forma sa scalară, legea este:

F = keq1q2/r2,

unde ke este constanta lui Coulomb (ke = 8,9875×109 Nm2C-2), q1 si q2 sunt magnitudinile semnate ale sarcinilor, iar scalarul r este distanța dintre sarcini. Forța interacțiunii dintre sarcini este atractivă dacă sarcinile au semne opuse (adică F este negativă) și respingătoare dacă sarcinile au aceleași semne (adică F este pozitivă).

Legea a fost publicată pentru prima dată în 1784 de către fizicianul francez Charles-Augustin de Coulomb și a fost esențială pentru dezvoltarea teoriei electromagnetismului. Fiind o lege invers-pătratică, este analogă cu legea inverso-pătratică a gravitației universale a lui Isaac Newton. Legea lui Coulomb poate fi folosită pentru a deduce legea lui Gauss și viceversa. Legea a fost testată extensiv, iar toate observațiile au susținut principiul legii.

Legea

Legea lui Coulomb precizează că:

Mărimea forței electrostatice de atracție sau repulsie între două sarcini punctuale este direct proporțională cu produsul de mărimea sarcinilor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele.

Forța este de-a lungul liniei drepte care le unește. Dacă cele două sarcini au același semn, forța electrostatică dintre ele este respingatoare; dacă au semne opuse, forța dintre ele este atractivă.

Legea lui Coulomb
În imagine, vectorul F1 este forța experimentată de q1, iar vectorul F2 este forța experimentată de q2. Când q1q2 > 0 forțele sunt respingătoare (ca în imagine) și când q1q2 < 0 forțele sunt atractive (opuse imaginii). Mărimea forțelor va fi întotdeauna egală. Sursa: IngenieroLoco, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Coulombslaw.svg, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported license

 

In the image, the vector F1 is the force experienced by q1, and the vector F2 is the force experienced by q2. When q1q2 > 0 the forces are repulsive (as in the image) and when q1q2 < 0 the forces are attractive (opposite to the image). The magnitude of the forces will always be equal.

Legea lui Coulomb poate fi de asemenea declarată ca o simplă expresie matematică. Formele scalare și vectoriale ale ecuației matematice sunt

|F| = ke|q1q2|/r2 și F1 = keq1q2 |r21|2r^21, respectiv,

unde ke este constanta lui Coulomb (ke = 8,9875517873681764×109 Nm2C-2), q1 si q2 sunt magnitudinile sarcinilor, scalarul r este distanta dintre sarcini, vectorul r21 = r1r2 este distanța vectorială între sarcini și r21 = r^21/|r21| (un vector unitar care indică de la q2 la q1). Forma vectorială a ecuației calculează forța F1 aplicată pe q1 cu q2. Dacă se folosește r12, atunci efectul asupra lui q2 poate fi găsit. Se poate calcula și utilizând a treia lege a lui Newton: F2 = –F1.

Unități

Atunci când teoria electromagnetică este exprimată folosind Sistemul Internațional de Unități, forța este măsurată în newtoni, sarcina în coulomb și distanța în metri. Constanta lui Coulomb este dată de ke = 1/4πε0. Constanta ε0 este constanta electrică (cunoscuta si ca “permitivitatea absolută a spațiului liber“) în C2m-2N-1. Nu ar trebui să fie confundată cu εr, care este permitivitatea relativă dimensională a materialului în care sarcinile sunt imersate, sau cu produsul lor εa = ε0εr, care se numește “permitivitate absolută a materialului” și este încă folosit în ingineria electrică.

Unitățile derivate din SI pentru câmpul electric sunt volți pe metru, newtoni pe coulomb, sau tesla metri pe secundă.

Legea lui Coulomb și constanta lui Coulomb pot fi de asemenea interpretate în mai multe moduri:

  • Unități atomice. În unitățile atomice forța este exprimată în hartrees pe raza Bohr, sarcina în termeni de sarcină elementară, și distanțele în termeni de raza Bohr.
  • Unități electrostatice sau unități Gauss. În unitățile electrostatice și unitățile gaussiene, sarcina unitară (esu sau statcoulomb) este definită astfel încât constanta coulombiană k dispare deoarece are valoarea unuia și devine adimensională.
  • Unitățile Lorentz-Heaviside (numite și raționalizate). În unitățile Lorentz-Heaviside constanta Coulomb este ke = 1/4π și devine adimensională.

Unitățile Gauss și unitățile Lorentz-Heaviside, ambele fiind sisteme de unitate CGS, sunt adesea preferate în tratamentul electromagnetismului, deoarece simplifică foarte mult formulele.

Câmp electric

Forța electrostatică
În cazul în care două sarcini au același semn, forța electrostatică dintre ele este respingătoare, dacă au semne diferite, forța dintre ele este atractivă. Ilustrația câmpului electric care înconjoară o sarcină pozitivă (roșie) și negativă (albastră), separate la 4 metri, într-o singură dimensiune, dacă sarcina din dreapta se schimbă de la +20 nC la -24 nC. Sursa: Lookang, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electric_field_one_charge_changing.gif, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported license

(În cazul în care două sarcini au același semn, forța electrostatică dintre ele este respingătoare, dacă au semne diferite, forța dintre ele este atractivă. Ilustrația câmpului electric care înconjoară o sarcină pozitivă (roșie) și negativă (albastră), separate la 4 metri, într-o singură dimensiune, dacă sarcina din dreapta se schimbă de la +20 nC la -24 nC. https://www.youtube.com/watch?v=jhep8QqeCZs)

Un câmp electric este un câmp vectorial care asociază fiecărui punct din spațiu forța Coulomb experimentată de o sarcină de testare. În cel mai simplu caz, câmpul este considerat a fi generat numai printr-o singură sarcină punctuală sursă. Forța și direcția forței Coulomb F pe o sarcină de test qt depinde de câmpul electric E în care se găsește, astfel încât F = qtE. Dacă câmpul este generat de o sarcină pozitivă a sursei q, direcția câmpului electric se îndreaptă de-a lungul liniilor îndreptate radial spre exterior, adică în direcția în care o sarcină de test pozitivă qt s-ar mișca dacă ar fi plasată în câmp. Pentru o sarcină punctuală sursă negativă, direcția este radială spre interior.

Amploarea câmpului electric E poate fi derivată din legea lui Coulomb. Prin alegerea uneia dintre sarcinile punctuale ca fiind sursa, iar cealaltă sarcina de test, rezultă din legea lui Coulomb că magnitudinea câmpului electric E creat de o singură sarcină punctuală sursă q la o anumită distanță față de ea r în vidul este dat de:

|E| = (1/4πε0)(|q|/r2)

Constanta lui Coulomb

Constanta lui Coulomb este un factor de proporționalitate care apare în legea lui Coulomb, precum și în alte formule legate de electricitate. Denumită ke, se mai numește și constanta de forță electrică sau constanta electrostatică, de aici indicele e.

Valoarea exactă a constantei lui Coulomb este:

ke = 1/4πε0 = c02μ0/4π = c02×10-7 H·m-1 = 8,987 551 787 368 176 4 × 109 N·m2·C-2

Limitări

Există trei condiții care trebuie îndeplinite pentru validitatea legii lui Coulomb:

  1. Sarcinile trebuie să aibă o distribuție sferică simetrică (de exemplu, sarcini punctuale sau o sferă de metal încărcată).
  2. Sarcinile nu trebuie să se suprapună (de ex. trebuie să fie sarcini distincte).
  3. Sarcinile trebuie să fie staționare una față de cealaltă.

Ultima dintre acestea este cea mai importantă – este cunoscut ca aproximarea electrostatică. Când are loc mișcarea, teoria relativității lui Einstein trebuie luată în considerare și rezultatul este introdus un factor suplimentar care modifică forța produsă asupra celor două obiecte. Această parte suplimentară a forței se numește forța magnetică și este descrisă de câmpuri magnetice. Pentru mișcarea lentă, forța magnetică este minimă și legea lui Coulomb pot fi considerate în continuare aproximativ corectă, dar atunci când sarcinile se mișcă mai repede în raport cu fiecare parte, trebuie să fie luate în considerare regulile electrodinamice complete (care încorporează forța magnetică).

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$34,55 Selectează opțiunile
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$34,55 Selectează opțiunile
Electricitate și magnetism - Electromagnetism fenomenologic
Electricitate și magnetism – Electromagnetism fenomenologic

O introducere în lumea electricității și a magnetismului, explicată în principal fenomenologic, cu ajutorul unui aparat matematic minimal, și cu exemple și aplicații din viața reală. O prezentare compactă, clară și precisă a unui domeniu care reprezintă o parte importantă … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4,99$7,99 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.