Реферат на тему кулон и его открытия

Обновлено: 22.04.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Закон Кулона

Два точечных заряда действуют друг на друга с силой, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их зарядов (без учета знака зарядов)

В различных средах, например, в воздухе и в воде, два точечных заряда взаимодействуют с разной силой. Относительная диэлектрическая проницаемость среды характеризуют это различие. Это известная табличная величина . Для воздуха .

Постоянная k определяется как

Направление силы Кулона

Согласно третьему закону Ньютона , силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).

Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения . Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами , и невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество как два разных проявления одной и той же сущности.

Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Как можно говорить, что одно действует сильнее другого? Ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд. Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, вы не вправе говорить: "Возьмем массу такой-то величины", потому что вы выбираете ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа (ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами, с нашими мерами), тогда мы сможем сравнивать. Мы возьмем элементарную заряженную частицу, такую, например, как электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.

Вопрос: каково отношение силы тяготения к электрической силе? Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Это вызывает глубочайшее недоумение. Откуда могло взяться такое огромное число?

Люди ищут этот огромный коэффициент в других явлениях природы. Они перебирают всякие большие числа, а если вам нужно большое число, почему не взять, скажем, отношение диаметра Вселенной к диаметру протона - как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. И вот говорят: может быть, этот коэффициент и равен отношению диаметра протона к диаметру Вселенной? Это интересная мысль, но, поскольку Вселенная постепенно расширяется, должна меняться и постоянная тяготения. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.

Основной закон электростатики — закон Кулона — был установлен французским физиком Кулоном в 80-х гг. XVIII в. Справедливости ради хочу сказать, что взаимодействия электрических зарядов наблюдали многие ученые и экспериментаторы еще до Ш. Кулона. Так, например, англичанин Кавендиш так же после череды экспериментов пришел к выводу, что неподвижные заряды взаимодействуют согласно определенному закону, но свои выводы он так и не обнародовал.

Кроме этого исследованиями в этой области занимались :

1. Г.В. Рихман

3. Д. Бернулли

4. Д. Робинсон

Кулон так же проводил скрупулезные измерения. И для своих опытов изобрел специальные крутильные весы.

Созданная конструкция обладала высокой чувствительностью и реагировала на силы порядка 10 -9 Ньютон. При приложении столь малой силы коромысло поворачивалось ровно на 1 градус. В результате этого, вычисляя угол поворота, можно было измерить приложенную силу.

Так же Кулон выдвинул идею, которая заключалась в том, что во время соприкосновения заряженного шара с незаряженным шаром заряд распределялся между ними поровну. На это действие реагировал прибор, поворачивая коромысло на некий угол.

При этом заземляя жестко зафиксированный шар, Кулон нивелировал в нем заряд. Повторяя процесс перераспределения и снятия заряда, экспериментатор уменьшал изначальный заряд незафиксированного шара кратное число раз.

Вычисляя угол отклонения после каждого такого распределения, ученый обнаружил закономерность в действии отталкивающей силы. Это и дало толчок в формулировании знаменитого закона.

Закон Кулона: между двумя точечными электрическими зарядами в вакууме есть определенная сила. Она пропорциональна умножению их модулей, деленных на квадрат расстояния. Под расстоянием подразумевается длина прямой, соединяющей данные заряды. Эта сила считается силой взаимодействия, она направлена вдоль отрезка, соединяющего предметы. Кулоновская сила значится силой отталкивающей в случае совпадения знаков зарядов, и силой притяжения, если знаки зарядов являются разными. Заряды, как известно, бывают положительные и отрицательные. Положительный заряд получается путем трения стеклянной палочки о шелк, в то же время отрицательный достигается путем натирания эбонитовой палочки о шерсть.

Для работы закона нужно соблюдение ряда очень важных условий:

1. Должно быть соблюдено условие точечности зарядов.

2. Заряженные тела должны быть неподвижны.

3. Закон действителен для вакуума и воздушной среды.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона

Коэффициент k введен для того, чтобы обеспечить переход из гауссовой системы единиц в международную систему единиц (СИ). В гауссовой системе коэффициент равен 1. В международной — он обратно пропорционален 4-кратному произведению числа ПИ на электрическую постоянную. Электрическая постоянная — это константа, относится к числу фундаментальных физических постоянных. Ее значение примерно равно 8,85418781762⋅10 −12 Ф/м, где Ф — фарад. Записывается электрическая постоянная как E0.

Важно! В тех средах, где пространство заполнено бесконечным однородным диэлектрическим веществом, также добавляют диэлектрическую проницаемость.

Например, для воздуха диэлектрическая проницаемость равна 1,000594.

Значения диэлектрической проницаемости:

Границы применимости закона Кулона

объем и размеры рассматриваемых тел;
характеристики среды, в которой рассматривают заряженные тела;

Также на очень маленьких расстояниях, порядка 10–18 м, появляются электрослабые эффекты. Кулоновские силы взаимодействия не работают. Но если внести небольшие поправки, то можно использовать закон Кулона.

Вся современная электротехника построена на принципах взаимодействия кулоновских сил. Благодаря открытию Кулоном этого фундаментального закона развилась целая наука, изучающая электромагнитные взаимодействия. Понятие термина электрического поля также базируется на знаниях кулоновских сил. Доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака не что иное как скопление электрических зарядов. Они притягивают к себе индуцированные заряды земли, в результате чего появляется молния. Это открытие позволило создавать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электротехнических сооружений.

конденсатор;
различные диэлектрики;
антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
защитная одежда для работников электронной промышленности и многое другое.

Ускорение заряженных частиц до околосветовых скоростей происходит под действием электромагнитного поля, создаваемого катушками, расположенными вдоль трассы. От столкновения распадаются элементарные частицы, следы которых фиксируются электронными приборами. На основании этих фотографий, применяя закон Кулона, учёные делают выводы о строении элементарных кирпичиков материи.

Значение открытия фундаментального закона Кулона просто невозможно переоценить, ведь на этой базе строится вся электроника, поэтому знать и тем более понимать его просто нужно любому современному человеку. В этой статье я постараюсь максимально просто объяснить саму суть закона, так что усаживайтесь поудобней и начнем.

Историческая справка

Справедливости ради хочу сказать, что взаимодействия электрических зарядов наблюдали многие ученые и экспериментаторы еще до Ш. Кулона. Так, например, англичанин Кавендиш так же после череды экспериментов пришел к выводу, что неподвижные заряды взаимодействуют согласно определенному закону, но свои выводы он так и не обнародовал.

Кроме этого исследованиями в этой области занимались :

На самом деле этот список можно продолжать долго и все эти ученые были близки к открытию, но не сумели математически выразить свои догадки.

Кулон так же проводил скрупулезные измерения. И для своих опытов изобрел специальные крутильные весы.

Формулируем закон

Теперь давайте сформулируем закон Кулона:

Кулон осуществлял эксперименты со сферами ничтожно малых размеров в сравнении с расстояниями между ними. Такие тела в физике еще именуют точечными. И в результате было сформировано следующее определение:

В вакууме сила взаимодействия двух заряженных тел прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Как по мне не совсем понятно, хоть и кратко. Более понятно можно сформулировать так:

Чем большим зарядом обладают тела и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше сила. А если расстояние между этими телами увеличить, то сила станет меньше.

Математически формулировка выражена так :

А векторы силы направлены друг к другу, если заряды разноименные и друг от друга, если заряды одноименные.

Для работы закона нужно соблюдение ряда очень важных условий:

1. Должно быть соблюдено условие точечности зарядов.

2. Заряженные тела должны быть неподвижны.

3. Закон действителен для вакуума и воздушной среды.

Коэффициент пропорциональности

Запомните! При взаимодействии нескольких тел, обладающих определенным зарядом в замкнутой системе, суммарная сила взаимодействия будет равна векторной сумме всех заряженных тел. В данной системе заряды никуда не деваются, а постоянно передаются от одного заряженного объекта к другому.

Закон Кулона и диэлектрики

Эта формула справедлива в том случае, если заряды расположены в вакууме. В любой другой среде сила взаимодействия заряженных тел неизбежно уменьшается, так как проявляется эффект поляризации. Причем для каждой среды изменение происходит пропорционально определенной величине, которая получила название – диэлектрическая постоянная (проницаемость). Учитывая данный параметр, коэффициент проницаемости принимает вид

Ограничение в применении

Хочу особо подчеркнуть, что при особо малых расстояниях (когда взаимодействуют элементарные частицы) порядка 10 -18 метров, строго говоря, закон Кулона не работает.

Кроме этого данный закон имеет явные нарушения в сильных электромагнитных полях (10-18 В/м). В представленной среде кулоновский потенциал снижается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Закон Кулона - это первый количественный фундаментальный закон, обоснованный математически, и его значение очень трудно переоценить. Именно с открытия закона можно сказать, что стартовала эпоха изучения электромагнетизма.

Понравилась статья, тогда не забудьте подписаться и поставить палец вверх. Тогда вы точно не пропустите новых еще более интересных и познавательных выпусков! Спасибо за внимание!

Шарль Огюстен де Кулон – физик, чьим именем назван закон взаимодействия электрических снарядов (Закон Кулона).

Детство и юность

Шарль Огюстен де Кулон родился в зажиточной семье в городе Ангулем, Франция. Его отец, Анри Кулон, происходил из известной семьи юристов, а его мать, Кэтрин Баже, была представительницей знатного рода.

Карьера

Кулон начал свою карьеру в инженерных войсках в чине лейтенанта. В том числе он занимался строительным проектированием и механикой сыпучих тел. Работал на многих сложных локациях, которые перешли под протекторат Франции в последующие 20 лет.

Во время его работы на острове Мартиника, территория перешла под контроль англичан в 1762 году, но, спустя некоторое время была возвращена назад Франции в рамках условий Парижского мирного договора 1763 года. Кулон также работал над постройкой нового Форта Бурбон, работы над постройкой которого завершились к июню 1772 года. Практические навыки в инженерном деле, которые он приобрёл во время службы в армии и работы над проектами, оказались очень полезными для его дальнейших изысканий в механике.

После возвращения во Францию Кулон начал изучать прикладную механику, и в 1773 году представил свою первую работу в Парижской академии наук. Его вычисления, при помощи которых можно было успешно решать инженерные проблемы, поразило представителей академии и 6 июля 1774 года Кулона назначили студентом-корреспондентом Боссю.

В 1777 году, находясь на службе в Шербуре, Кулон написал и подал на конкурс в Академию наук свою наиболее известную работу о магнитных компасах. Его работа заняла первое место, и он получил денежное вознаграждение, а также привлёк внимание к своей ранней работе по крутильным весам.

В 1781 году Кулона избрали в Академию наук по классу механики. Он переехал в Париж и стал инженером-консультантом, а всю оставшуюся жизнь посвятил физике.

Между 1785 и 1791 годами он написал семь ключевых работ-мемуаров, в которых речь шла о различных аспектах электричества и магнетизма.

В 1784 году Кулона назначили смотрителем королевских фонтанов, и на своём посту он занимался обеспечением Парижа водой.

Основные научные работы

Личная жизнь и наследие

Первый сын Кулона родился 26 февраля 1790 года, а второй 30 июля 1797 года от Луизы Франсуазы Лепру Дезормо – женщины, которую он любил, но на которой не женился аж до 1802 года.

Имея проблемы со здоровьем в течение всей своей жизни, великий физик умер от лихорадки в 1806 году.

На Луне есть кратер, названный в честь Кулона за его заслуги перед человечеством.

Интересные факты

Его имя одно из 72, которые размещены на Эйфелевой башне.

Единица международной системы единиц – кулон – названа в его честь.

Теория давления грунта и обобщённая теория клина, которые относятся к механике сыпучих тел и были предложены Кулоном, до сих пор входят в основы инженерной практики.

Читайте также: