กฎของคูลอมบ์และการประยุกต์ใช้ในงานวิศวกรรมไฟฟ้า

เช่นเดียวกับในกลศาสตร์นิวตัน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วงมักเกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีมวล เช่นเดียวกับอิเล็กโทรไดนามิกส์ ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าเป็นลักษณะของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าแสดงด้วยสัญลักษณ์ «q» หรือ «Q»

เราอาจกล่าวได้ว่าแนวคิดของประจุไฟฟ้า q ในอิเล็กโทรไดนามิกส์ค่อนข้างคล้ายกับแนวคิดของมวลโน้มถ่วง m ในกลศาสตร์ แต่ต่างจากมวลความโน้มถ่วง ประจุไฟฟ้าแสดงคุณสมบัติของวัตถุและอนุภาคเพื่อเข้าสู่ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า และอย่างที่คุณเข้าใจ ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ไม่ใช่แรงโน้มถ่วง

ค่าไฟฟ้า

ประสบการณ์ของมนุษย์ในการศึกษาปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าประกอบด้วยผลการทดลองมากมาย และข้อเท็จจริงทั้งหมดเหล่านี้ทำให้นักฟิสิกส์สามารถบรรลุข้อสรุปที่ชัดเจนเกี่ยวกับประจุไฟฟ้าดังต่อไปนี้:

1. ประจุไฟฟ้ามีสองประเภท - ตามสภาพสามารถแบ่งออกเป็นบวกและลบ

2.ประจุไฟฟ้าสามารถถ่ายโอนจากวัตถุที่มีประจุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น โดยการสัมผัสวัตถุต่างๆ กัน ประจุไฟฟ้าระหว่างวัตถุทั้งสองสามารถแยกออกจากกันได้ ในกรณีนี้ ประจุไฟฟ้าไม่ได้เป็นองค์ประกอบบังคับของร่างกายแต่อย่างใด: ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกัน วัตถุเดียวกันอาจมีประจุที่มีขนาดและเครื่องหมายต่างกัน หรืออาจไม่มีประจุก็ได้ ดังนั้น ประจุจึงไม่ใช่สิ่งที่มีอยู่ในตัวพาหะ และในขณะเดียวกัน ประจุก็ไม่สามารถมีอยู่ได้หากไม่มีพาหะ

3. ในขณะที่วัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงมักจะดึงดูดซึ่งกันและกัน ประจุไฟฟ้าสามารถดึงดูดซึ่งกันและกันและผลักกัน เช่นเดียวกับประจุที่ดึงดูดซึ่งกันและกัน เช่น ประจุที่ผลักกัน

ตัวพาประจุคือ อิเล็กตรอน โปรตอน และอนุภาคมูลฐานอื่นๆ ประจุไฟฟ้ามี 2 ประเภท ได้แก่ ประจุบวกและประจุลบ ประจุบวกคือประจุที่ปรากฏบนกระจกที่ถูด้วยหนัง ประจุลบ - ประจุที่เกิดขึ้นบนอำพันที่มีรอยขนแมว เจ้าหน้าที่ตั้งข้อหาข้อหาชื่อเดียวกันดันกลับ วัตถุที่มีประจุตรงข้ามกันจะดึงดูดซึ่งกันและกัน

กฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้าเป็นกฎพื้นฐานของธรรมชาติ อ่านได้ดังนี้: «ผลรวมเชิงพีชคณิตของประจุของวัตถุทั้งหมดในระบบที่แยกออกมายังคงที่». ซึ่งหมายความว่าในระบบปิด การปรากฏหรือการหายไปของประจุเพียงสัญญาณเดียวเป็นไปไม่ได้

ผลรวมเชิงพีชคณิตของประจุในระบบที่แยกออกมาจะคงที่ ตัวพาประจุสามารถเคลื่อนที่จากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง หรือเคลื่อนที่ภายในร่างกาย ในโมเลกุล อะตอม ค่าใช้จ่ายไม่ขึ้นกับกรอบอ้างอิง

ทุกวันนี้ มุมมองทางวิทยาศาสตร์คือเดิมทีตัวพาที่มีประจุเป็นอนุภาคมูลฐานอนุภาคมูลฐาน นิวตรอน (เป็นกลางทางไฟฟ้า) โปรตอน (มีประจุบวก) และอิเล็กตรอน (มีประจุลบ) ประกอบกันเป็นอะตอม

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน และอิเล็กตรอนก่อตัวเป็นเปลือกของอะตอม โมดูลาลีของประจุของอิเล็กตรอนและโปรตอนมีขนาดเท่ากับประจุมูลฐาน e แต่ในเครื่องหมาย ประจุของอนุภาคเหล่านี้อยู่ตรงข้ามกัน

ปฏิสัมพันธ์ของประจุไฟฟ้า - กฎของคูลอมบ์

สำหรับปฏิสัมพันธ์โดยตรงของประจุไฟฟ้าซึ่งกันและกัน ในปี ค.ศ. 1785 Charles Coulomb นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ทำการทดลองและอธิบายกฎพื้นฐานของไฟฟ้าสถิตซึ่งเป็นกฎพื้นฐานของธรรมชาติซึ่งไม่ได้เป็นไปตามกฎอื่นใด ในงานของเขา นักวิทยาศาสตร์ศึกษาปฏิสัมพันธ์ของวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าที่อยู่นิ่งและวัดแรงผลักและแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน

คูลอมบ์ได้ทำการทดลองดังต่อไปนี้: «แรงอันตรกิริยาของประจุที่อยู่นิ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของโมดูลและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกมัน»

นี่คือกฎของคูลอมบ์ และถึงแม้ว่าประจุแบบจุดจะไม่มีอยู่ในธรรมชาติ แต่ในแง่ของประจุแบบจุดเท่านั้นที่เราสามารถพูดถึงระยะห่างระหว่างประจุเหล่านี้ได้ภายใต้สูตรของกฎของคูลอมบ์

ในความเป็นจริง หากระยะห่างระหว่างวัตถุมากเกินขนาดอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นขนาดหรือรูปร่างของวัตถุที่มีประจุจะไม่ส่งผลกระทบต่อปฏิสัมพันธ์ของพวกมันเป็นพิเศษ ซึ่งหมายความว่าวัตถุสำหรับปัญหานี้สามารถพิจารณาได้ว่าค่อนข้างคล้ายจุด

ลองดูตัวอย่าง ลองแขวนลูกบอลที่มีประจุไว้บนสตริงเนื่องจากพวกมันถูกพุ่งเข้าหาด้วยวิธีใดทางหนึ่ง พวกมันจะผลักไสหรือดึงดูด เนื่องจากกองกำลังถูกชี้นำเป็นเส้นตรงซึ่งเชื่อมระหว่างวัตถุเหล่านี้ สิ่งเหล่านี้จึงเป็นแรงศูนย์กลาง

เพื่อระบุแรงที่กระทำต่อประจุแต่ละอันจากอีกอันหนึ่ง เราจะเขียน: F12 คือแรงของประจุที่สองในประจุแรก F21 คือแรงของประจุแรกในประจุที่สอง r12 คือเวกเตอร์รัศมีจากประจุที่สอง ชี้ไปที่จุดแรก หากประจุมีเครื่องหมายเหมือนกัน แรง F12 จะถูกส่งร่วมกันไปยังเวกเตอร์รัศมี แต่ถ้าประจุมีเครื่องหมายต่างกัน แรง F12 จะพุ่งเข้าหาเวกเตอร์รัศมี

การใช้กฎปฏิสัมพันธ์ของประจุแบบจุด (กฎของคูลอมบ์) ตอนนี้สามารถหาแรงโต้ตอบได้จากประจุแบบจุดหรือตัวประจุแบบจุด หากร่างกายไม่ได้มีรูปร่างเหมือนจุด พวกเขาจะแตกสลายทางจิตใจเป็นสีพาสเทลขององค์ประกอบต่างๆ ซึ่งแต่ละองค์ประกอบสามารถนำมาเป็นประจุไฟฟ้าได้

หลังจากพบแรงที่กระทำระหว่างองค์ประกอบขนาดเล็กทั้งหมดแล้ว แรงเหล่านี้จะรวมกันในทางเรขาคณิต—จะพบแรงลัพธ์ อนุภาคมูลฐานยังมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันตามกฎของคูลอมบ์ และจนถึงขณะนี้ยังไม่มีการสังเกตการละเมิดกฎพื้นฐานของไฟฟ้าสถิต

การประยุกต์กฎของคูลอมบ์ในงานวิศวกรรมไฟฟ้า

ไม่มีพื้นที่ใดในวิศวกรรมไฟฟ้าสมัยใหม่ที่กฎของคูลอมบ์ไม่ได้ทำงานในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง เริ่มต้นด้วยกระแสไฟฟ้า ลงท้ายด้วยตัวเก็บประจุที่มีประจุไฟฟ้า โดยเฉพาะบริเวณที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าสถิต — เกี่ยวข้องกับกฎของคูลอมบ์ 100% ลองดูตัวอย่างเพียงเล็กน้อย

กรณีที่ง่ายที่สุดคือการแนะนำอิเล็กทริกแรงอันตรกิริยาของประจุในสุญญากาศจะมากกว่าแรงอันตรกิริยาของประจุเดียวกันเสมอภายใต้เงื่อนไขเมื่อมีอิเล็กทริกบางชนิดวางอยู่ระหว่างพวกมัน

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลางเป็นค่าที่แม่นยำซึ่งช่วยให้คุณสามารถกำหนดค่าของแรงเชิงปริมาณโดยไม่คำนึงถึงระยะห่างระหว่างประจุและขนาดของประจุ ก็เพียงพอแล้วที่จะแบ่งแรงอันตรกิริยาของประจุในสุญญากาศด้วยค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของอิเล็กทริกที่แนะนำ - เราได้รับแรงอันตรกิริยาต่อหน้าไดอิเล็กตริก

อุปกรณ์วิจัยที่ซับซ้อน — เครื่องเร่งอนุภาค การทำงานของเครื่องเร่งอนุภาคที่มีประจุขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของอันตรกิริยาของสนามไฟฟ้าและอนุภาคที่มีประจุ สนามไฟฟ้าทำงานในเครื่องเร่งความเร็ว ทำให้เพิ่มพลังงานของอนุภาค

หากเราพิจารณาที่นี่ว่าอนุภาคที่มีความเร่งเป็นประจุแบบจุดและการกระทำของสนามไฟฟ้าแบบเร่งความเร็วเป็นแรงรวมจากประจุแบบจุดอื่น ๆ ในกรณีนี้ กฎของคูลอมบ์จะถูกปฏิบัติตามอย่างสมบูรณ์ สนามแม่เหล็ก ชี้นำอนุภาคผ่านเท่านั้น แรง Lorentz แต่ไม่เปลี่ยนพลังงาน แต่จะกำหนดวิถีการเคลื่อนที่ของอนุภาคในเครื่องเร่งเท่านั้น

โครงสร้างไฟฟ้าป้องกัน การติดตั้งระบบไฟฟ้าที่สำคัญมักจะติดตั้งสิ่งง่ายๆ ที่มองแวบแรกเสมอ เช่น สายล่อฟ้า และสายล่อฟ้าในการทำงานก็ไม่ผ่านไปโดยไม่ปฏิบัติตามกฎของคูลอมบ์ ในช่วงที่เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง ประจุไฟฟ้าเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ปรากฏขึ้นบนโลก ตามกฎของคูลอมบ์ ประจุเหล่านี้จะถูกดึงดูดไปในทิศทางของเมฆพายุฝนฟ้าคะนอง ผลที่ได้คือสนามไฟฟ้าแรงสูงบนพื้นผิวโลก

ความเข้มของสนามนี้สูงเป็นพิเศษใกล้กับตัวนำที่แหลมคม ดังนั้นการปลดปล่อยประจุไฟฟ้าจึงถูกจุดขึ้นที่ปลายสายล่อฟ้า ประจุจากโลกมีแนวโน้มที่จะถูกดึงดูดโดยประจุตรงข้ามของสายฟ้าซึ่งเป็นไปตามกฎของคูลอมบ์ คลาวด์.

อากาศใกล้กับสายล่อฟ้านั้นแตกตัวเป็นไอออนสูงอันเป็นผลมาจากการปลดปล่อยโคโรนา เป็นผลให้ความแรงของสนามไฟฟ้าใกล้กับส่วนปลายลดลง (เช่นเดียวกับภายในสายไฟใดๆ) ประจุไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำไม่สามารถสะสมบนอาคารได้ และความน่าจะเป็นของฟ้าผ่าจะลดลง หากเกิดฟ้าผ่าลงมาที่สายล่อฟ้า ประจุก็จะตกลงสู่พื้นโลกและจะไม่สร้างความเสียหายต่อการติดตั้ง