A lei de Coulomb e sua aplicação na engenharia elétrica

Assim como na mecânica newtoniana a interação gravitacional sempre ocorre entre corpos com massas, assim como na eletrodinâmica, a interação elétrica é característica de corpos com cargas elétricas. A carga elétrica é denotada pelo símbolo «q» ou «Q».

Podemos até dizer que o conceito de carga elétrica q em eletrodinâmica é um pouco semelhante ao conceito de massa gravitacional m em mecânica. Mas, ao contrário da massa gravitacional, a carga elétrica caracteriza a propriedade dos corpos e partículas de entrar em interações eletromagnéticas, e essas interações, como você entende, não são gravitacionais.

Cargas eletricas

A experiência humana no estudo dos fenômenos elétricos contém muitos resultados experimentais, e todos esses fatos permitiram aos físicos chegar às seguintes conclusões inequívocas sobre cargas elétricas:

1. As cargas elétricas são de dois tipos - condicionalmente podem ser divididas em positivas e negativas.

2.As cargas elétricas podem ser transferidas de um objeto carregado para outro: por exemplo, pelo contato de corpos entre si - a carga entre eles pode ser separada. Nesse caso, a carga elétrica não é um componente obrigatório do corpo: em condições diferentes, o mesmo objeto pode ter uma carga de magnitude e sinal diferentes ou pode não ter carga. Assim, a carga não é algo inerente ao portador e, ao mesmo tempo, a carga não pode existir sem o portador.

3. Enquanto os corpos gravitantes sempre se atraem, as cargas elétricas podem se atrair e se repelir. Cargas iguais se atraem, cargas iguais se repelem.

Os portadores de carga são elétrons, prótons e outras partículas elementares. Existem dois tipos de cargas elétricas - positiva e negativa. As cargas positivas são as que aparecem no vidro atritado com couro. Negativo - Cargas ocorrendo em âmbar esfregado com pêlo. As autoridades acusadas das acusações de mesmo nome recuam. Objetos com cargas opostas se atraem.

A lei de conservação da carga elétrica é uma lei fundamental da natureza, reza-se assim: «a soma algébrica das cargas de todos os corpos de um sistema isolado permanece constante». Isso significa que em um sistema fechado é impossível o aparecimento ou desaparecimento de cargas para apenas um sinal.

A soma algébrica das cargas em um sistema isolado é mantida constante. Os portadores de carga podem se mover de um corpo para outro ou se mover dentro de um corpo, em uma molécula, átomo. A carga é independente do referencial.

Hoje, a visão científica é que originalmente os portadores de carga eram partículas elementares.Partículas elementares nêutrons (eletricamente neutros), prótons (carregados positivamente) e elétrons (carregados negativamente) constituem os átomos.

Os núcleos dos átomos são compostos de prótons e nêutrons, e os elétrons formam as camadas dos átomos. Os módulos das cargas de um elétron e um próton são iguais em magnitude à carga elementar e, mas em sinal as cargas dessas partículas são opostas uma à outra.

Interação de Cargas Elétricas — Lei de Coulomb

Quanto à interação direta das cargas elétricas entre si, em 1785 o físico francês Charles Coulomb estabeleceu e descreveu experimentalmente esta lei básica da eletrostática, a lei básica da natureza, que não decorre de nenhuma outra lei. Em seu trabalho, o cientista estuda a interação de corpos estacionários com carga pontual e mede as forças de sua repulsão e atração mútuas.

Coulomb estabeleceu experimentalmente o seguinte: «As forças de interação de cargas estacionárias são diretamente proporcionais ao produto dos módulos e inversamente proporcionais ao quadrado da distância entre eles.»

Esta é a formulação da lei de Coulomb. E embora cargas pontuais não existam na natureza, somente em termos de cargas pontuais podemos falar sobre a distância entre elas, dentro desta formulação da lei de Coulomb.

De fato, se as distâncias entre os corpos excederem significativamente seus tamanhos, nem o tamanho nem a forma dos corpos carregados afetarão particularmente sua interação, o que significa que os corpos para esse problema podem ser considerados pontuais.

Vejamos um exemplo. Vamos pendurar algumas bolas carregadas em fios.Como eles são carregados de alguma forma, eles se repelem ou se atraem. Como as forças são direcionadas ao longo de uma linha reta conectando esses corpos, essas são forças centrais.

Para denotar as forças que atuam sobre cada uma das cargas da outra, escreveremos: F12 é a força da segunda carga na primeira, F21 é a força da primeira carga na segunda, r12 é o raio vetor da segunda carga pontual para o primeiro. Se as cargas tiverem o mesmo sinal, a força F12 será direcionada conjuntamente ao vetor raio, mas se as cargas tiverem sinais diferentes, a força F12 será direcionada contra o vetor raio.

Usando a lei de interação de cargas puntiformes (Lei de Coulomb), a força de interação pode agora ser encontrada para quaisquer cargas puntiformes ou corpos de carga puntiforme. Se os corpos não têm a forma de pontos, eles são mentalmente divididos em pastéis de elementos, cada um dos quais pode ser tomado como uma carga pontual.

Depois de encontrar as forças que atuam entre todos os pequenos elementos, essas forças se somam geometricamente - elas encontram a força resultante. Partículas elementares também interagem umas com as outras de acordo com a lei de Coulomb, e até o momento nenhuma violação desta lei fundamental da eletrostática foi observada.

Aplicação da lei de Coulomb na engenharia elétrica

Não há área na engenharia elétrica moderna em que a lei de Coulomb não opere de uma forma ou de outra. Começando com uma corrente elétrica, terminando com um capacitor simplesmente carregado. Principalmente as áreas que tratam de eletrostática — são 100% relacionadas à lei de Coulomb. Vejamos apenas alguns exemplos.

O caso mais simples é a introdução de um dielétrico.A força de interação das cargas no vácuo é sempre maior que a força de interação das mesmas cargas em condições em que algum tipo de dielétrico é colocado entre elas.

A constante dielétrica de um meio é precisamente aquele valor que permite determinar quantitativamente os valores das forças, independentemente da distância entre as cargas e suas magnitudes. Basta dividir a força de interação das cargas no vácuo pela constante dielétrica do dielétrico introduzido - obtemos a força de interação na presença de um dielétrico.

Equipamento de pesquisa sofisticado — um acelerador de partículas. A operação de aceleradores de partículas carregadas é baseada no fenômeno de interação de um campo elétrico e partículas carregadas. O campo elétrico realiza trabalho no acelerador, aumentando a energia da partícula.

Se considerarmos aqui a partícula acelerada como uma carga pontual, e a ação do campo elétrico acelerador do acelerador como a força total de outras cargas pontuais, então neste caso a lei de Coulomb é totalmente observada. a força de Lorentz, mas não altera sua energia, apenas define a trajetória para o movimento das partículas no acelerador.

Estruturas elétricas de proteção. As instalações elétricas importantes estão sempre equipadas com algo tão simples à primeira vista como um pára-raios. E o pára-raios em seu trabalho também não passa sem observar a lei de Coulomb. Durante uma tempestade, grandes cargas induzidas aparecem na Terra - de acordo com a lei de Coulomb, elas são atraídas na direção da nuvem de tempestade. O resultado é um forte campo elétrico na superfície da Terra.

A intensidade deste campo é particularmente alta perto de condutores pontiagudos e, portanto, uma descarga coronal é inflamada na extremidade pontiaguda do pára-raios - a carga da Terra tende, obedecendo à lei de Coulomb, a ser atraída pela carga oposta do raio. nuvem.

O ar próximo ao para-raios é altamente ionizado como resultado da descarga corona. Como resultado, a força do campo elétrico perto da ponta diminui (assim como dentro de qualquer fio), as cargas induzidas não podem se acumular no prédio e a probabilidade de raios é reduzida. Se um raio atingir o para-raios, a carga simplesmente irá para a Terra e não danificará a instalação.