クーロンの法則と電気工学におけるその応用
ニュートン力学において、重力相互作用は質量を持つ物体間で常に発生します。電気力学と同様に、電気的相互作用は電荷を持つ物体の特徴です。電荷は記号«q»または«Q»で表されます。
電気力学における電荷 q の概念は、力学における重力質量 m の概念にある程度似ているとさえ言えます。しかし、重力質量とは異なり、電荷は物体と粒子が電磁相互作用を起こす性質を特徴づけるものであり、ご理解のとおり、これらの相互作用は重力によるものではありません。
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電気現象の研究における人間の経験には多くの実験結果が含まれており、これらすべての事実により、物理学者は電荷について次の明確な結論に達することができました。
1. 電荷には 2 つのタイプがあり、条件付きで正と負に分けることができます。
2.電荷は、ある帯電した物体から別の物体に移動することができます。たとえば、物体同士を接触させることによって、物体間の電荷を分離することができます。この場合、電荷は物体の必須の構成要素ではまったくありません。異なる条件下では、同じ物体が異なる大きさと符号の電荷を持つこともあれば、電荷を持たないこともあります。したがって、電荷はキャリアに固有のものではなく、同時にキャリアなしでは電荷は存在できません。
3. 重力物体は常に互いに引き付け合っていますが、電荷は互いに引き付け合うことも、反発し合うこともできます。電荷が互いに引き合うように、電荷が反発するように。
電荷キャリアは電子、陽子、その他の素粒子です。電荷にはプラスとマイナスの 2 種類があります。プラスの電荷は、革でこすったガラスに現れるものです。マイナス - 毛皮でこすられた琥珀に発生する電荷。同名の容疑で起訴された当局はこれを反発した。反対の電荷を持つ物体は互いに引き付け合います。
電荷保存の法則は基本的な自然法則であり、次のように説明されています。「孤立系内のすべての物体の電荷の代数和は一定のままです。」これは、閉じたシステムでは、1 つの標識だけに対する電荷の出現または消滅は不可能であることを意味します。
孤立系における電荷の代数和は一定に保たれます。電荷キャリアは、ある物体から別の物体に移動したり、物体の内部、分子、原子内を移動したりできます。料金は基準の枠組みから独立しています。
今日、科学的な見解では、電荷担体はもともと素粒子であったということです。素粒子の中性子（電気的に中性）、陽子（プラスに帯電）、電子（マイナスに帯電）が原子を構成します。
原子核は陽子と中性子で構成され、電子は原子の殻を形成します。電子と陽子の電荷係数は、基本電荷 e と大きさが等しいですが、これらの粒子の電荷の符号は互いに反対です。
電荷の相互作用 — クーロンの法則
電荷相互の直接相互作用に関しては、1785 年にフランスの物理学者シャルル クーロンが実験的にこの静電気の基本法則、つまり他のいかなる法則にも従わない自然の基本法則を確立し、記述しました。彼の研究では、科学者は静止点電荷物体の相互作用を研究し、それらの相互反発力と引力の力を測定します。
クーロンは実験的に次のことを確立しました。「固定電荷の相互作用の力はモジュールの積に正比例し、モジュール間の距離の二乗に反比例する。」
これがクーロンの法則の定式化です。そして、点電荷は自然界には存在しませんが、このクーロンの法則の定式化の中で、点電荷の観点からのみ、それらの間の距離について話すことができます。
実際、物体間の距離がそのサイズを大幅に超える場合、帯電した物体のサイズも形状もそれらの相互作用に特に影響を与えません。これは、この問題の物体がかなり点状であると考えられることを意味します。
例を見てみましょう。帯電したボールを紐にぶら下げてみましょう。それらは何らかの方法で帯電しているため、反発するか引き付けられます。力はこれらの物体を結ぶ直線に沿って方向付けられるため、これらは中心力です。
他の電荷からそれぞれの電荷に作用する力を表すには、次のように書きます。 F12 は最初の電荷に対する 2 番目の電荷の力、F21 は 2 番目の電荷に対する最初の電荷の力、r12 は 2 番目の電荷からの半径ベクトルです。初めてのポイントチャージ。電荷の符号が同じであれば、力 F12 は一緒に動径ベクトルに向けられますが、電荷の符号が異なる場合には、力 F12 は動径ベクトルに向けられることになります。
点電荷の相互作用の法則 (クーロンの法則) を使用すると、任意の点電荷または点電荷体に対する相互作用力を求めることができます。物体が点状でない場合、それらは精神的に要素のパステルに分割され、それぞれが点電荷として解釈されます。
すべての小さな要素間に作用する力を見つけた後、これらの力は幾何学的に合計され、合力が求められます。素粒子もクーロンの法則に従って相互作用しており、これまでのところ、この静電気の基本法則の違反は観察されていません。
電気工学におけるクーロンの法則の応用
現代の電気工学において、クーロンの法則が何らかの形で機能しない領域はありません。電流から始まり、単純に充電されたコンデンサで終わります。特に静電気を扱う分野は、100% クーロンの法則に関連しています。いくつかの例を見てみましょう。
最も単純なケースは、誘電体の導入です。真空中の電荷の相互作用の力は、ある種の誘電体がそれらの間に配置されている条件下での同じ電荷の相互作用の力よりも常に大きくなります。
媒体の誘電率は、電荷間の距離やその大きさに関係なく、力の値を定量的に決定できる値です。真空中の電荷の相互作用力を、導入された誘電体の誘電率で割れば十分です。誘電体の存在下で相互作用力が得られます。
洗練された研究機器、粒子加速器。荷電粒子加速器の動作は、電場と荷電粒子の相互作用現象に基づいています。加速器内では電場が働き、粒子のエネルギーが増加します。
ここで、加速された粒子を点電荷として、加速器の加速電場の作用を他の点電荷からの力の合計として考えると、この場合、クーロンの法則が完全に観察されます。ローレンツ力ですが、そのエネルギーは変化せず、加速器内の粒子の移動の軌道を設定するだけです。
保護電気構造。重要な電気設備には、避雷針のような一見シンプルなものが常に装備されています。そして、その仕事における避雷針も、クーロンの法則を遵守せずに通過することはありません。雷雨の間、地球上に大きな誘導電荷が現れます。クーロンの法則によれば、それらは雷雨の雲の方向に引き寄せられます。その結果、地表に強い電場が生じます。
この場の強度は鋭利な導体の近くで特に強く、したがって避雷針の先端でコロナ放電が点火されます。地球からの電荷は、クーロンの法則に従って、落雷の反対の電荷によって引き寄せられる傾向があります。雲。
避雷針の近くの空気は、コロナ放電の結果として高度にイオン化されています。その結果、先端近くの電界の強度が（電線内部も同様に）減少し、誘導電荷が建物に蓄積できなくなり、落雷の可能性が減少します。雷が避雷針に落ちた場合、その電荷は単に地球に流れるだけであり、設備に損傷を与えることはありません。