Legge di Coulomb: metodi e limiti di scoperta

Le accuse e l'elettricità sono termini obbligatori per quei casi in cui si osserva l'interazione di corpi carichi. Le forze di repulsione e attrazione emanano dai corpi carichi e si diffondono simultaneamente in tutte le direzioni, svanendo gradualmente. Questa forza fu scoperta a tempo debito dal famoso naturalista francese Charles Coulomb, e la regola alla quale i corpi carichi obbediscono è stata da allora chiamata Legge di Coulomb.

Charles Pendant

Scienziato francese è nato in Francia, dove ha ricevuto un'eccellente istruzione. Ha applicato attivamente le sue conoscenze in ingegneria e ha dato un contributo significativo alla teoria dei meccanismi. Ciondolo è l'autore di articoli che hanno studiato il lavoro. mulini a vento, statistiche di varie strutture, torsione di fili sotto l'influenza di forze esterne. Uno di questi lavori ha aiutato a scoprire la legge di Coulomb-Amonton, che spiega i processi di attrito. Ma il contributo principale di Charles Coulomb è stato lo studio dell'elettricità statica. Gli esperimenti condotti da questo scienziato francese lo hanno portato a comprendere una delle leggi fondamentali della fisica. È a lui che dobbiamo la conoscenza della natura dell'interazione dei corpi carichi.

preistoria

Le forze di attrazione e repulsione, con le quali le cariche elettriche agiscono l'una sull'altra, sono dirette lungo la linea retta che collega i corpi carichi. Con l'aumentare della distanza, questa forza si indebolisce. Un secolo dopo Isaac Newton ha aperto il suo legge mondiale di Lo scienziato francese S. Coulon ha studiato sperimentalmente il principio dell'interazione tra i corpi carichi e ha dimostrato che la natura di tale forza è simile alle forze dell'aggressività. Inoltre, come si è scoperto, i corpi interagenti nel campo elettrico si comportano allo stesso modo di qualsiasi corpo che possiede una massa nel campo gravitazionale.

Dispositivo Coulomb

Un diagramma del dispositivo con cui Charles Coulomb ha effettuato le sue misurazioni è mostrato nella figura:

Come puoi vedere, in sostanza, questo design non differisce dal dispositivo, che una volta misurava Cavendish costante gravitazionale. L'asta isolante, sospesa su un filo sottile, termina con una sfera metallica, a cui un certo carica elettrica Un'altra palla di metallo viene avvicinata alla palla e quindi, mentre si avvicina, la forza di interazione viene misurata in base al grado di torsione della filettatura.

Esperimento di Coulomb

Coulomb suggerì che la legge di Hooke, che era allora già nota, potesse essere applicata alla forza con cui il filo è attorcigliato. Lo scienziato ha confrontato il cambiamento di forza a diverse distanze di una palla da un'altra e ha scoperto che la forza di interazione cambia il suo valore in proporzione inversa al quadrato della distanza tra le sfere. Il ciondolo è riuscito a cambiare i valori della palla carica da q a q / 2, q / 4, q / 8 e così via. Ad ogni cambio di carica, la forza dell'interazione cambiava proporzionalmente il suo valore. Così, gradualmente, fu formulata una regola, che in seguito fu chiamata la "Legge di Coulomb".

definizione

Sperimentalmente, lo scienziato francese ha dimostrato che le forze con le quali interagiscono due corpi carichi sono proporzionali al prodotto delle loro cariche e inversamente proporzionali al quadrato della distanza tra le cariche. Questa affermazione è la legge di Coulomb. In forma matematica, può essere espresso come:

In questa espressione:

• q è la quantità di carica;
• d è la distanza tra i corpi carichi;
• k è la costante elettrica.

Il valore della costante elettrica dipende dalla scelta dell'unità di misura. Nel sistema moderno, la grandezza della carica elettrica viene misurata in pendenti e la costante elettrica, rispettivamente, in Newton × m ² / Ciondolo ² .

Misurazioni recenti hanno dimostrato che questo coefficiente dovrebbe tenere conto della costante dielettrica del mezzo in cui viene condotto l'esperimento. Ora il valore è mostrato nella forma della relazione k = k _¹ / e, dove a ₁ è la costante elettrica già familiare a noi, e non è un indicatore della costante dielettrica. In condizioni di vuoto, questo valore è uguale a uno.

Conclusioni dalla legge di Coulomb

Lo scienziato ha sperimentato diverse accuse, testando l'interazione tra corpi con cariche diverse. Naturalmente, non era in grado di misurare la carica elettrica in nessuna unità: non c'erano abbastanza conoscenze o strumenti adeguati. Charles Coulomb è stato in grado di dividere il proiettile toccando la palla carica scaricata. Così ha ricevuto i valori frazionari della carica originale. Una serie di esperimenti ha dimostrato che la carica elettrica è preservata, si verifica uno scambio senza aumentare o diminuire la quantità di carica. Questo principio fondamentale costituiva la base della legge di conservazione della carica elettrica. Allo stato attuale, è dimostrato che questa legge è osservata sia nel microcosmo delle particelle elementari che nel macrocondo delle stelle e delle galassie.

Condizioni richieste per adempiere alla legge di Coulomb

Affinché la legge possa essere soddisfatta con maggiore precisione, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

• I costi devono essere punti. In altre parole, la distanza tra i corpi carichi osservati deve essere molto più grande della loro dimensione. Se i corpi carichi hanno una forma sferica, allora possiamo supporre che l'intera carica sia in un punto che è il centro della sfera.
• Il corpo misurato deve essere fisso. Altrimenti, numerosi fattori esterni influenzeranno la carica in movimento, ad esempio la forza di Lorentz, che dà all'accelerazione aggiuntiva del corpo carico. Così come il campo magnetico di un corpo carico in movimento.
• I corpi osservati dovrebbero essere nel vuoto per evitare gli effetti dei flussi di massa d'aria sui risultati delle osservazioni.

Legge di Coulomb ed elettrodinamica quantistica

Dal punto di vista dell'elettrodinamica quantistica, l'interazione di corpi carichi avviene attraverso lo scambio di fotoni virtuali. L'esistenza di tali particelle non osservabili e la massa zero, ma non la carica zero, è confermata indirettamente dal principio di indeterminazione. Secondo questo principio, un fotone virtuale può esistere tra i momenti dell'emissione di una tale particella e il suo assorbimento. Minore è la distanza tra i corpi, minore è il tempo trascorso dal fotone sul percorso, quindi maggiore è l'energia dei fotoni emessi. Con una piccola distanza tra le cariche osservate, il principio di indeterminazione consente lo scambio sia di onde corte che di onde lunghe e, a grandi distanze, i fotoni a onde corte non partecipano allo scambio.

Ci sono limiti all'applicazione della legge di Coulomb

La legge di Coulomb spiega completamente il comportamento di due punti di ricarica nel vuoto. Ma quando si tratta di corpi reali, si dovrebbero prendere in considerazione le dimensioni volumetriche dei corpi carichi e le caratteristiche dell'ambiente in cui viene effettuata l'osservazione. Ad esempio, alcuni ricercatori hanno osservato che un corpo che trasporta una piccola carica ed è costretto nel campo elettrico di un altro oggetto con una grande carica inizia ad essere attratto da questa carica. In questo caso, l'affermazione che corpi simili carichi si respingono a vicenda fallisce, e un'altra spiegazione dovrebbe essere cercata per il fenomeno osservato. Molto probabilmente, non si discute qui di una violazione della legge di Coulomb o del principio di conservazione della carica elettrica - è possibile che osserviamo fenomeni che non sono stati studiati fino alla fine, che la scienza può spiegare un po 'più tardi.