कुलॉम्बचा कायदा आणि त्याचा इलेक्ट्रिकल अभियांत्रिकीमध्ये उपयोग

ज्याप्रमाणे न्यूटोनियन यांत्रिकीमध्ये, गुरुत्वाकर्षणाचा परस्परसंवाद नेहमी वस्तुमान असलेल्या शरीरांमध्ये होतो, त्याचप्रमाणे इलेक्ट्रोडायनामिक्समध्ये, विद्युतीय परस्परसंवाद हे विद्युत शुल्क असलेल्या शरीरांचे वैशिष्ट्य आहे. इलेक्ट्रिक चार्ज «q» किंवा «Q» चिन्हाने दर्शविला जातो.

आपण असेही म्हणू शकतो की इलेक्ट्रोडायनामिक्समधील इलेक्ट्रिक चार्ज q ही संकल्पना यांत्रिकीमधील गुरुत्वीय वस्तुमान m या संकल्पनेशी काहीशी समान आहे. परंतु गुरुत्वीय वस्तुमानाच्या विपरीत, विद्युत चार्ज विद्युत चुंबकीय परस्परसंवादांमध्ये प्रवेश करण्यासाठी शरीर आणि कणांच्या गुणधर्माचे वैशिष्ट्य दर्शविते आणि हे परस्परसंवाद, जसे आपण समजता, गुरुत्वाकर्षण नसतात.

विद्युत शुल्क

विद्युतीय घटनांच्या अभ्यासातील मानवी अनुभवामध्ये अनेक प्रायोगिक परिणाम आहेत आणि या सर्व तथ्यांमुळे भौतिकशास्त्रज्ञांना विद्युत शुल्कांबद्दल खालील स्पष्ट निष्कर्षापर्यंत पोहोचता आले:

1. इलेक्ट्रिक चार्जेस दोन प्रकारचे असतात — सशर्त ते सकारात्मक आणि नकारात्मक मध्ये विभागले जाऊ शकतात.

2.इलेक्ट्रिक चार्जेस एका चार्ज केलेल्या ऑब्जेक्टमधून दुसर्‍यामध्ये हस्तांतरित केले जाऊ शकतात: उदाहरणार्थ, एकमेकांशी संपर्क साधून - त्यांच्यामधील शुल्क वेगळे केले जाऊ शकते. या प्रकरणात, इलेक्ट्रिक चार्ज हा शरीराचा अनिवार्य घटक नाही: भिन्न परिस्थितींमध्ये, समान ऑब्जेक्टवर भिन्न आकारमान आणि चिन्ह असू शकतात किंवा त्यावर कोणतेही शुल्क नसू शकते. अशा प्रकारे शुल्क हे वाहकामध्ये अंतर्निहित काहीतरी नाही आणि त्याच वेळी वाहकाशिवाय शुल्क अस्तित्वात असू शकत नाही.

3. गुरुत्वाकर्षण शरीरे नेहमी एकमेकांना आकर्षित करत असताना, विद्युत शुल्क दोघेही एकमेकांना आकर्षित करू शकतात आणि एकमेकांना दूर करू शकतात. जसे शुल्क परस्पर आकर्षित करतात, जसे शुल्क मागे टाकतात.

चार्ज वाहक इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन आणि इतर प्राथमिक कण आहेत. विद्युत शुल्काचे दोन प्रकार आहेत-सकारात्मक आणि ऋण. चामड्याने घासलेल्या काचेवर दिसणारे पॉझिटिव्ह चार्जेस. नकारात्मक - फर-रबड एम्बरवर होणारे शुल्क. त्याच नावाने आरोप करणाऱ्या अधिकाऱ्यांनी मागे ढकलले. विरुद्ध शुल्क असलेल्या वस्तू एकमेकांना आकर्षित करतात.

इलेक्ट्रिक चार्जच्या संवर्धनाचा नियम हा निसर्गाचा मूलभूत नियम आहे, तो असे वाचतो: "पृथक प्रणालीमध्ये सर्व शरीरांच्या शुल्काची बीजगणितीय बेरीज स्थिर राहते". याचा अर्थ असा की बंद प्रणालीमध्ये, केवळ एका चिन्हासाठी शुल्क दिसणे किंवा गायब होणे अशक्य आहे.

पृथक प्रणालीमध्ये बीजगणितीय शुल्काची बेरीज स्थिर ठेवली जाते. चार्ज वाहक एका शरीरातून दुसऱ्या शरीरात जाऊ शकतात किंवा शरीराच्या आत, रेणूमध्ये, अणूमध्ये जाऊ शकतात. शुल्क संदर्भ फ्रेमपासून स्वतंत्र आहे.

आज, वैज्ञानिक दृष्टिकोन असा आहे की मूलतः चार्ज वाहक हे प्राथमिक कण होते.प्राथमिक कण न्यूट्रॉन (विद्युतदृष्ट्या तटस्थ), प्रोटॉन (सकारात्मक चार्ज केलेले) आणि इलेक्ट्रॉन (नकारात्मक चार्ज केलेले) अणू बनवतात.

अणूंचे केंद्रक प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनपासून बनलेले असतात आणि इलेक्ट्रॉन अणूंचे कवच बनवतात. इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉनच्या चार्जेसची मोड्युली प्राथमिक चार्ज e च्या परिमाणात समान आहेत, परंतु चिन्हात या कणांचे शुल्क एकमेकांच्या विरुद्ध आहेत.

इलेक्ट्रिक चार्जेसचा परस्परसंवाद - कुलॉम्बचा कायदा

एकमेकांशी विद्युत शुल्काच्या थेट परस्परसंवादाबद्दल, नंतर 1785 मध्ये फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ चार्ल्स कुलॉम्ब यांनी प्रायोगिकपणे इलेक्ट्रोस्टॅटिक्सचा हा मूलभूत नियम स्थापित केला आणि त्याचे वर्णन केले, निसर्गाचा मूलभूत नियम, जो इतर कोणत्याही कायद्यांचे पालन करत नाही. त्याच्या कामात, शास्त्रज्ञ स्थिर पॉइंट-चार्ज केलेल्या शरीरांच्या परस्परसंवादाचा अभ्यास करतात आणि त्यांच्या परस्पर तिरस्कार आणि आकर्षणाच्या शक्तींचे मोजमाप करतात.

कूलॉम्बने प्रायोगिकपणे खालील गोष्टी स्थापित केल्या: "स्थिर शुल्काच्या परस्परसंवादाची शक्ती मॉड्यूल्सच्या उत्पादनाशी थेट प्रमाणात आणि त्यांच्यामधील अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात असते."

कूलॉम्बच्या कायद्याची ही रचना आहे. आणि जरी बिंदू शुल्क निसर्गात अस्तित्त्वात नसले तरी, केवळ पॉइंट चार्जेसच्या संदर्भात आपण त्यांच्यामधील अंतराबद्दल बोलू शकतो, कूलॉम्बच्या नियमाच्या या सूत्रानुसार.

खरं तर, जर शरीरांमधील अंतर लक्षणीयपणे त्यांच्या आकारापेक्षा जास्त असेल, तर चार्ज केलेल्या बॉडीजचा आकार किंवा आकार त्यांच्या परस्परसंवादावर विशेष परिणाम करणार नाही, याचा अर्थ असा की या समस्येसाठी शरीरे बिंदू-समान मानली जाऊ शकतात.

एक उदाहरण पाहू. चला काही चार्ज केलेले बॉल तारांवर टांगूया.कारण त्यांच्यावर काही प्रकारे शुल्क आकारले जाते, ते एकतर मागे टाकतील किंवा आकर्षित करतील. या शरीरांना जोडणार्‍या एका सरळ रेषेने सैन्ये निर्देशित केली जात असल्याने, ही मध्यवर्ती शक्ती आहेत.

दुसर्‍यावरील प्रत्येक शुल्कावर कार्य करणारे बल दर्शविण्यासाठी, आम्ही लिहू: F12 हे पहिल्यावरील दुसर्‍या चार्जचे बल आहे, F21 हे दुसर्‍यावरील पहिल्या चार्जचे बल आहे, r12 हे दुसर्‍यावरील त्रिज्या वेक्टर आहे. प्रथम बिंदू शुल्क. जर चार्जेसमध्ये समान चिन्ह असेल, तर फोर्स F12 संयुक्तपणे त्रिज्या वेक्टरकडे निर्देशित केले जाईल, परंतु जर चार्जेसमध्ये भिन्न चिन्हे असतील, तर F12 बल त्रिज्या वेक्टरच्या विरूद्ध निर्देशित केले जाईल.

पॉइंट चार्जेसच्या परस्परसंवादाचा नियम (कुलॉम्बचा कायदा) वापरून, आता कोणत्याही पॉइंट चार्जेस किंवा पॉइंट चार्ज बॉडीसाठी परस्पर क्रिया बल शोधता येते. जर शरीरे बिंदू-आकाराची नसतील, तर ते मानसिकदृष्ट्या घटकांच्या पेस्टलमध्ये विभागले जातात, ज्यापैकी प्रत्येकाला पॉइंट चार्ज म्हणून घेतले जाऊ शकते.

सर्व लहान घटकांमध्‍ये क्रिया करणार्‍या बलांचा शोध घेतल्‍यानंतर, या बलांची भौमितीय रीतीने बेरीज होते - त्यांना परिणामी बल सापडते. कौलॉम्बच्या नियमानुसार प्राथमिक कण देखील एकमेकांशी संवाद साधतात आणि आजपर्यंत इलेक्ट्रोस्टॅटिक्सच्या या मूलभूत कायद्याचे कोणतेही उल्लंघन आढळून आलेले नाही.

इलेक्ट्रिकल अभियांत्रिकीमध्ये कुलॉम्बच्या कायद्याचा वापर

आधुनिक विद्युत अभियांत्रिकीमध्ये असे कोणतेही क्षेत्र नाही जेथे कौलॉम्बचा कायदा एका किंवा दुसर्या स्वरूपात कार्य करत नाही. विद्युत प्रवाहाने सुरू होणारा, फक्त चार्ज केलेल्या कॅपेसिटरसह समाप्त होतो. विशेषत: ते क्षेत्र जे इलेक्ट्रोस्टॅटिक्सशी संबंधित आहेत - ते 100% कुलॉम्बच्या कायद्याशी संबंधित आहेत. चला फक्त काही उदाहरणे पाहू.

सर्वात सोपा केस म्हणजे डायलेक्ट्रिकचा परिचय.व्हॅक्यूममधील शुल्कांच्या परस्परसंवादाचे बल हे समान शुल्कांच्या परस्परसंवादाच्या बलापेक्षा नेहमीच जास्त असते जेव्हा त्यांच्यामध्ये काही प्रकारचे डायलेक्ट्रिक ठेवले जाते.

माध्यमाचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक हे तंतोतंत ते मूल्य आहे जे आपल्याला शुल्क आणि त्यांचे परिमाण यांच्यातील अंतर विचारात न घेता बलांची मूल्ये परिमाणात्मकपणे निर्धारित करण्यास अनुमती देते. सादर केलेल्या डायलेक्ट्रिकच्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकाद्वारे व्हॅक्यूममधील शुल्कांच्या परस्परसंवाद शक्तीचे विभाजन करणे पुरेसे आहे - आपल्याला डायलेक्ट्रिकच्या उपस्थितीत परस्पर क्रिया बल मिळते.

अत्याधुनिक संशोधन उपकरणे - एक कण प्रवेगक. चार्ज केलेले कण प्रवेगकांचे कार्य विद्युत क्षेत्र आणि चार्ज केलेले कण यांच्या परस्परसंवादाच्या घटनेवर आधारित आहे. विद्युत क्षेत्र प्रवेगक मध्ये कार्य करते, कणाची उर्जा वाढवते.

जर आपण येथे प्रवेगक कणाचा पॉइंट चार्ज म्हणून विचार केला आणि प्रवेगकांच्या प्रवेगक विद्युत क्षेत्राची क्रिया इतर बिंदू शुल्कांमधून एकूण बल म्हणून घेतली, तर या प्रकरणात कौलॉम्बचा नियम पूर्णपणे पाळला जातो. चुंबकीय क्षेत्र केवळ कणांना निर्देशित करते. लॉरेन्ट्झ बल, परंतु त्याची उर्जा बदलत नाही, परंतु केवळ प्रवेगकातील कणांच्या हालचालीसाठी प्रक्षेपण सेट करते.

संरक्षणात्मक विद्युत संरचना. महत्त्वाच्या विद्युत प्रतिष्ठानांमध्ये नेहमी विजेच्या रॉडसारख्या पहिल्या दृष्टीक्षेपात काहीतरी सोपे असते. आणि त्याच्या कामातील लाइटनिंग रॉड देखील कुलॉम्बच्या कायद्याचे निरीक्षण केल्याशिवाय जात नाही. गडगडाटी वादळाच्या वेळी, पृथ्वीवर मोठ्या प्रमाणात प्रेरित शुल्क दिसून येते — कुलॉम्बच्या नियमानुसार, ते गडगडाटी ढगाच्या दिशेने आकर्षित होतात. याचा परिणाम म्हणजे पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र.

या क्षेत्राची तीव्रता विशेषतः तीक्ष्ण वाहकांजवळ जास्त आहे, आणि म्हणून विजेच्या काठीच्या टोकाला एक कोरोनल डिस्चार्ज प्रज्वलित केला जातो — पृथ्वीवरील चार्ज कूलॉम्बच्या नियमाचे पालन करून, गडगडाटाच्या विरुद्ध चार्जद्वारे आकर्षित होतो. ढग

कोरोना डिस्चार्जच्या परिणामी विजेच्या काठीच्या जवळची हवा जास्त आयनीकृत आहे. परिणामी, टीपजवळील विद्युत क्षेत्राची ताकद कमी होते (तसेच कोणत्याही वायरच्या आत), प्रेरित शुल्क इमारतीवर जमा होऊ शकत नाही आणि विज पडण्याची शक्यता कमी होते. जर विजेच्या रॉडवर वीज पडली तर चार्ज फक्त पृथ्वीवर जाईल आणि इंस्टॉलेशनला नुकसान होणार नाही.