La ley de Coulomb y su aplicación en ingeniería eléctrica.

Así como en la mecánica newtoniana, la interacción gravitatoria siempre ocurre entre cuerpos con masas, de manera similar a la electrodinámica, la interacción eléctrica es característica de los cuerpos con cargas eléctricas. La carga eléctrica se denota con el símbolo «q» o «Q».

Incluso podemos decir que el concepto de carga eléctrica q en electrodinámica es algo similar al concepto de masa gravitatoria m en mecánica. Pero a diferencia de la masa gravitacional, la carga eléctrica caracteriza la propiedad de los cuerpos y las partículas de entrar en interacciones electromagnéticas, y estas interacciones, como comprenderán, no son gravitatorias.

Cargas eléctricas

La experiencia humana en el estudio de los fenómenos eléctricos contiene muchos resultados experimentales, y todos estos hechos permitieron a los físicos llegar a las siguientes conclusiones inequívocas sobre las cargas eléctricas:

1. Las cargas eléctricas son de dos tipos: condicionalmente, se pueden dividir en positivas y negativas.

2.Las cargas eléctricas se pueden transferir de un objeto cargado a otro: por ejemplo, al poner en contacto los cuerpos entre sí, la carga entre ellos se puede separar. En este caso, la carga eléctrica no es un componente obligatorio del cuerpo en absoluto: bajo diferentes condiciones, el mismo objeto puede tener una carga de diferente magnitud y signo, o puede no tener carga. Así, el cargo no es algo inherente al porteador y, al mismo tiempo, el cargo no puede existir sin el porteador.

3. Mientras que los cuerpos que gravitan siempre se atraen entre sí, las cargas eléctricas pueden atraerse y repelerse entre sí. Las cargas iguales se atraen mutuamente, las cargas iguales se repelen.

Los portadores de carga son electrones, protones y otras partículas elementales. Hay dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las cargas positivas son las que aparecen sobre el vidrio frotado con cuero. Negativo - Cargas que ocurren en ámbar frotado con piel. Las autoridades acusadas de los cargos del mismo nombre retroceden. Los objetos con cargas opuestas se atraen entre sí.

La ley de conservación de la carga eléctrica es una ley fundamental de la naturaleza, dice así: «la suma algebraica de las cargas de todos los cuerpos en un sistema aislado permanece constante». Esto significa que en un sistema cerrado es imposible la aparición o desaparición de cargas para un solo signo.

La suma algebraica de cargas en un sistema aislado se mantiene constante. Los portadores de carga pueden moverse de un cuerpo a otro o moverse dentro de un cuerpo, en una molécula, átomo. La carga es independiente del marco de referencia.

Hoy en día, la opinión científica es que originalmente los portadores de carga eran partículas elementales.Las partículas elementales neutrones (neutros eléctricamente), protones (cargados positivamente) y electrones (cargados negativamente) forman átomos.

Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones, y los electrones forman las capas de los átomos. Los módulos de las cargas de un electrón y un protón son iguales en magnitud a la carga elemental e, pero en signo las cargas de estas partículas son opuestas entre sí.

Interacción de Cargas Eléctricas — Ley de Coulomb

En cuanto a la interacción directa de las cargas eléctricas entre sí, en 1785 el físico francés Charles Coulomb estableció y describió experimentalmente esta ley básica de la electrostática, la ley básica de la naturaleza, que no se deriva de ninguna otra ley. En su trabajo, el científico estudia la interacción de cuerpos estacionarios con carga puntual y mide las fuerzas de su repulsión y atracción mutua.

Coulomb estableció experimentalmente lo siguiente: «Las fuerzas de interacción de las cargas estacionarias son directamente proporcionales al producto de los módulos e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que los separa».

Esta es la formulación de la ley de Coulomb. Y aunque las cargas puntuales no existen en la naturaleza, sólo en términos de cargas puntuales podemos hablar de la distancia entre ellas, dentro de esta formulación de la ley de Coulomb.

De hecho, si las distancias entre los cuerpos exceden significativamente sus tamaños, entonces ni el tamaño ni la forma de los cuerpos cargados afectarán particularmente su interacción, lo que significa que los cuerpos para este problema pueden considerarse como puntos.

Veamos un ejemplo. Colguemos algunas bolas cargadas en cuerdas.Debido a que están cargados de alguna manera, se repelen o se atraen. Dado que las fuerzas están dirigidas a lo largo de una línea recta que conecta estos cuerpos, estas son fuerzas centrales.

Para denotar las fuerzas que actúan sobre cada una de las cargas de la otra, escribiremos: F12 es la fuerza de la segunda carga sobre la primera, F21 es la fuerza de la primera carga sobre la segunda, r12 es el radio vector de la segunda carga puntual a la primera. Si las cargas tienen el mismo signo, entonces la fuerza F12 estará dirigida conjuntamente al radio vector, pero si las cargas tienen signos diferentes, entonces la fuerza F12 estará dirigida contra el radio vector.

Usando la ley de interacción de cargas puntuales (Ley de Coulomb), ahora se puede encontrar la fuerza de interacción para cualquier carga puntual o cuerpo de carga puntual. Si los cuerpos no tienen forma de punto, se dividen mentalmente en pasteles de elementos, cada uno de los cuales puede tomarse como una carga puntual.

Después de encontrar las fuerzas que actúan entre todos los elementos pequeños, estas fuerzas se suman geométricamente: encuentran la fuerza resultante. Las partículas elementales también interactúan entre sí de acuerdo con la ley de Coulomb, y hasta la fecha no se han observado violaciones de esta ley fundamental de la electrostática.

Aplicación de la ley de Coulomb en ingeniería eléctrica.

No existe un área en la ingeniería eléctrica moderna donde la ley de Coulomb no opere de una forma u otra. Comenzando con una corriente eléctrica, terminando con un capacitor simplemente cargado. Especialmente aquellas áreas que se ocupan de la electrostática, están 100% relacionadas con la ley de Coulomb. Veamos solo algunos ejemplos.

El caso más simple es la introducción de un dieléctrico.La fuerza de interacción de las cargas en el vacío siempre es mayor que la fuerza de interacción de las mismas cargas en condiciones en las que se coloca algún tipo de dieléctrico entre ellas.

La constante dieléctrica de un medio es precisamente ese valor que permite determinar cuantitativamente los valores de las fuerzas, independientemente de la distancia entre las cargas y sus magnitudes. Basta con dividir la fuerza de interacción de las cargas en el vacío por la constante dieléctrica del dieléctrico introducido: obtenemos la fuerza de interacción en presencia de un dieléctrico.

Equipo de investigación sofisticado: un acelerador de partículas. El funcionamiento de los aceleradores de partículas cargadas se basa en el fenómeno de interacción de un campo eléctrico y partículas cargadas. El campo eléctrico realiza trabajo en el acelerador, aumentando la energía de la partícula.

Si consideramos aquí la partícula acelerada como una carga puntual, y la acción del campo eléctrico acelerador del acelerador como la fuerza total de otras cargas puntuales, entonces en este caso se cumple completamente la ley de Coulomb. El campo magnético dirige la partícula solo a través de la fuerza de Lorentz, pero no cambia su energía, sino que solo establece la trayectoria para el movimiento de partículas en el acelerador.

Estructuras eléctricas de protección. Las instalaciones eléctricas importantes siempre están equipadas con algo tan simple a primera vista como un pararrayos. Y el pararrayos en su trabajo tampoco pasa sin observar la ley de Coulomb. Durante una tormenta eléctrica, aparecen grandes cargas inducidas en la Tierra; de acuerdo con la ley de Coulomb, son atraídas en la dirección de la nube tormentosa. El resultado es un fuerte campo eléctrico en la superficie terrestre.

La intensidad de este campo es particularmente alta cerca de conductores afilados y, por lo tanto, se enciende una descarga coronal en el extremo puntiagudo del pararrayos: la carga de la Tierra tiende, obedeciendo la ley de Coulomb, a ser atraída por la carga opuesta del rayo. nube.

El aire cerca del pararrayos está altamente ionizado como resultado de la descarga de corona. Como resultado, la fuerza del campo eléctrico cerca de la punta disminuye (así como dentro de cualquier cable), las cargas inducidas no pueden acumularse en el edificio y la probabilidad de rayos se reduce. Si un rayo cae sobre el pararrayos, entonces la carga simplemente irá a tierra y no dañará la instalación.