Kulonov zakon i električno polje

0
2625

 

 

Šarl-Ogisten de Kulon je bio francuski fizičar i izumitelj. Poznat je po svojim doprinosima u oblastima fizike koje izučavaju elektricitet i magnetizam, a tvorac je i teorije koja je nazvana Kulonov zakonKuolon je pomoću torzione vage definisao elektrostatičku silu (privlačenja i odbijanja), koja djeluje između naelektrisanih čestica.Torziona vaga sastoji se od šipke zakačena kroz svoju sredinu tankim vlaknima. Vlakna djeluje kao jako slaba torzionova opruga. U Kulonovom eksperimentu, torzionova vaga je izolacioni štap sa loptom sa metalnom košuljicom na jednog kraja zakačena svilenim koncem. Lopta je bila naelektrisana sa poznatim naelektrisanjem za statički elektricitet, a druga naelektrisana lopta istog polariteta je doveden do nje. Dve naelektrisane kugle su se odbile jedana drugoge, uvrćući vlakna pod određenim uglom, što se može pročitati sa skale na instrumentu. Znajući koliko snage je trebalo da se uvrnu vlakana do datog ugla, Kulonov je uspeo da izračuna sile između kugli i izvede svoj inverzno-kvadrati proporcionalni zakon.

 

 

 

 

 

 

 

Kulonov zakon

 

Električni naboj tijela ili čestica se ispoljava kroz uzajamno djelovanje sa drugim naelektrisanim tijelima. Poznato je da među naelektrisanim tijelima djeluju električne sile privlačne ili odbojne, zavisno od vrste eletkriciteta. Kulon je eksperimentalno utvrdio zakon elektrostatičkog međudjelovanja dva tačkasta “naelektrisanja”, tj. tijela čije su dimenzije mnog manje od međusobnog rastojanja, odnosno naelektrisano tijelo zanemarljivo malih dimenzija naziva se tačkastim.

Kulon je želio da udvrdi zavisnost električnih sila od rastojanja između naelektrisanih tijela i od količine elektriciteta na tim tijelima. Došao je do zakona koji je u fizici poznat kao Kulnov zakon, a koji možemo ovako formulisati:

Jačina sile kojom se privlače ili odbijaju dva tačkasta naelektrisanja upravo je proporcionalna njihovim količinama elektriciteta, a obrnuto proporcionalna kvadratu njihovog međusobnog rastojanja.

Matematička formulacija Kulonovog zakona:

 

 

Kulonova sila se naziva i elektrostatička sila. Kulonova sila je vektroska veličina,ima najveću vrijednost u vakuumu. Ako na tijelo djeluje više drugih naelektrisanih tijela,  mora se koristiti vektorski zbir Kulonovih sila i odrediti rezultujuća sila. Iizraz za jačinu elektrostatičke sile kada se nalektrisana tijela ne nalaze nalaze u vakuumu:

 

Gdje su:

 

Kulonova sila ima sličnosti sa gravitacionom silom:
– jačina obiju sila opada sa kvadratom rastojanja,
– kulonova sila je proporcionalna prozvodu količina naelektrisanja
– gravitaciona sila je proporcionalna proizvodu masa

 

Pored toga postoje razlike u prirodi ovih dviju sila:
– gravitaciona sila je jako slaba sila, djeluje na veoma velikim rasto
janjima dok je Kulonova sila jača i djeluje na malim rastojanjima
– gravitaciona sila je samo privlačna
– elektrostatička sila je i privlačna i odbojna
– gravitaciona sila ne zavisi od sredine
– Kulonova zavisi i ima najveći intenzitet u vakuumu.
– gravitaciona sila djeluje između svih tijela koja imaju masu
– elektriđna samo ako su tijela naelektrisana.

 

Električno polje

 

Naelektrisana tijela uzajamno djeluju preko određenog materijalnog posrednika koji se naziva električno polje. Električno polje je prenosnik električnog međudjelovanja. U prostoru oko naelektrisanog tijela koje miruje, javlja se elektrostatičko polje kao poseban vid postojanja materije.

Naelektrisana tijela ili čestice najčešće su “izvori“ elektrčnog polja. Svoje postojanje električno polje otkriva tako što djeluje određenom silom na naelektrisana tijela koja se nađu u njemu. Preko te osobine se određuje fizička veličina koja se naziva jačina električnog polja.

 

 

Jačina električnog polja u nekoj tački brojno je jednaka sili kojom bi polje djelovalo na  tijelo jedinične količine elektriciteta, dovedene u tu tačku.

 

 

F je sila kojom električno polje djeluje na probno naelektrisanje Q, kojim se ispituje jačina
električnog polja. Jedinica za jačinu elektrčnog polja je 1N/C. Jačina električnog polja je vektorska veličina. Pravac i smjer vektora jačine električnog polja isti je kao i pravac i smjer elektrostatičke sile.

 

Jačina električnog polja na nalektrisanja Q na rastojanju r iznosi:

 

 

 

 

Primjer: Pomoću električnog klatna, prema uglu otklona, može se zaključiti da je električno polje u blizini naelektrisanog tijela jače, što se rastojanje od tijela povećava, ono sve više slabi. Ako j tijelo koje stvara polje naelektrisano naelektrisanjem suprotnog znaka, isto klatno će se otkloniti u suprotnom pravcu. što znači da električno polje ima određenu jačinu i smjer.

 

 

Jačina električnog polja je vektorska veličina. Izraz za jačinu električnog polja može se pisati:

 

 

Električno polje ima svoj smjer. Dogovorom se uzima da je električno polje pozitivnog
električnog naboja usmjereno od njega, a polje negativnog električnog naboja usmjereno ka njemu.

 

 

 

 

 

 

 

Unutar naelektrisanog provodnika jačina električnog polja je nula, tj. E = 0

 

 

Zašto vozač ništa ne osjeti kada munja udari u krov automobila? Zato što u autmobilu neće doći do električnog pražnjenja, zato što se automobil ponaša kao provodna (metalna) kugla, a unutar provodne kuigle nema električnog polja E=0.

 

 

Električno poje ne zapažamo čulima i ne možemo stvoriti predstavu kako izgleda. Zato je uveden pojam linija sile električne sile. Grafički električno polje možemo predstaviti pomoću linija sile.

  

 

Linije sila pokazuju u kom pravcu i smjeru polje djeluje na pozitivno naelektrisanje. Pravac i smjer linja sile su u svakoj tački jednaki pravcu i smjeru vektora jačine električnog polja E.


Oblik linija sile možemo pokazati pomću tankih traka od papira

Linije sila električnog polja mogu se dokazati sljedećim primjerom:

Primjer: Linije sila električnog polja možemo predstaviti pomoću. Dvije kugle naelektrišemo jednu pozitvno, a drugu negativno. Stavimo ih ispod stakla po kome je posuto ricinusovo ulje i griz. Griz će iscrtati linije kao na slici ispod. Slika pokazuje kako izgledaju linije sila električnog polja između ove dvije naelektrisane kugle.

 

 

Animacija na desnoj strani vidimo linije sila električnog polja između dva tijela naelektrisana elektricitetom suprotnog predznaka, dok animacija lijevo vidimo  linije sila kod naelektrisanja istog predznaka.

 

 

           

 

 

 

 

 

Ako u svakoj tački nekog dijela prostora, električno polje ima istu jačinu, kaže se da u tom dijelu prostora postoji homogeno električno polje. Kod homogenog električnog polja linije sile su paralelne što pokazuje animacija na slici ispod.

 

 

 

  Primjer: Dvije naelektrisane kuglice jedna sa nabojem 5 nC, a druga sa nabojem 3 μC, međusobno su udaljene 5 cm. Kolika je električna sila kojom jedna kuglica djeluje na drugu u vakuumu?

 

Ovaj zadatak ćemo uraditi u nekoliko etapa:

1) Zapisati zadete veličine
q1 = 5nC
q2 = 3μC
r = 5cm
F = ?

______________________

2) Napisati formulu za traženu veličinu

3) Pogledati da li sve veličine koje se nalaze u formuli imamo zadate. U ovom slučaju sve potrebne veličine su zadate. U ovom zadatku su sve veličine zadate.

4) Prije nego što uvrstimo provjerimo da li su sve jedinice u SI. Kao što vidimo nisu, količina elektriciteta treba biti izražena u kulonima, a dužina u metrima. Pa ih moramo izraziti, to radimo na sljedeći način:

4) Sada uvrstimo

5) Radi lakšeg računanja možemo napraviti redoslijed tako štoćemo koeficijente staviti jedne pored drugih, stepene isto tako poredati jedan za drugim i na kraju napisati sve mjerne jedinice, na sljedeći način:

 

 

LEAVE A REPLY