Uzak olaylarla ilgili sinyalleri her zaman bir ara ortam kullanarak alırız. Örneğin, telefon iletişimi elektrik kabloları kullanılarak gerçekleştirilir, mesafe boyunca konuşma iletimi havada yayılan ses dalgaları kullanılarak gerçekleşir.
(ses havasız ortamda yayılamaz). Bir sinyalin ortaya çıkışı her zaman maddi bir olay olduğundan, enerjinin uzayda bir noktadan diğerine aktarılmasıyla ilişkili yayılması yalnızca maddi bir ortamda gerçekleşebilir.
Sinyal iletiminde bir ara ortamın yer aldığını gösteren en önemli işaret, ortamın özelliklerine bağlı olan, kaynaktan gözlemciye sinyal yayılımının son hızıdır. Örneğin ses havada yaklaşık 330 m/s hızla yayılır.
Doğada sinyallerin yayılma hızının sonsuz derecede büyük olduğu bir olay varsa, yani bir sinyal bir cisimden diğerine aralarında herhangi bir mesafede anında iletilebiliyorsa, o zaman bu cisimlerin birbirleri üzerinde belirli bir hızda hareket edebileceği anlamına gelirdi. mesafe ve aralarında madde yokluğu. Fizikte cisimlerin birbirleri üzerindeki bu etkisine uzun menzilli etki denir. Cisimlerin aralarında bulunan madde yardımıyla birbirleri üzerinde etkide bulunmalarına kısa mesafeli etki denir. Sonuç olarak, yakın etkileşim sırasında beden maddi çevreyi doğrudan etkiler ve bu çevre zaten başka bir bedeni de etkiler.
Maddi ortamdaki herhangi bir işlem noktadan noktaya sonlu ve iyi tanımlanmış bir hızla iletildiğinden, bir cismin etkisinin bir ara ortam aracılığıyla diğerine aktarılması biraz zaman alır. Kısa menzilli eylem teorisinin matematiksel gerekçesi, seçkin İngiliz bilim adamı D. Maxwell (1831-1879) tarafından verildi. Anında yayılan sinyaller doğada bulunmadığından, bundan sonra kısa menzil teorisine bağlı kalacağız.
Bazı durumlarda sinyallerin yayılması, örneğin sesin havada yayılması gibi madde kullanılarak gerçekleşir. Diğer durumlarda, madde sinyallerin iletilmesine doğrudan dahil değildir; örneğin Güneş'ten gelen ışık, havasız uzay yoluyla Dünya'ya ulaşır. Dolayısıyla madde sadece madde halinde mevcut değildir.
Havasız uzayda cisimlerin birbirine çarpması söz konusu olduğunda, bu etkiyi ileten maddi ortama alan denir. Demek ki madde, madde halinde ve? alanlar. Cisimler arasında etkili olan kuvvetlerin türüne bağlı olarak alanlar farklı türde olabilir. Evrensel çekim yasasına uygun olarak bir cismin diğerine etkisini ileten alana yerçekimi alanı denir. Coulomb yasasına göre bir sabit elektrik yükünün başka bir sabit yük üzerindeki etkisini ileten alana elektrostatik veya elektrik alanı denir.
Deneyimler, elektrik sinyallerinin havasız uzayda çok yüksek fakat sınırlı bir hızla, yani yaklaşık 300.000 km/s (§ 27.7) ile yayıldığını göstermiştir. Bu
elektrik alanının maddeyle aynı fiziksel gerçeklik olduğunu kanıtlıyor. Alanın özelliklerinin incelenmesi, alanı kullanarak enerjinin uzak mesafelere aktarılmasını ve insanlığın ihtiyaçları için kullanılmasını mümkün kılmıştır. Bunun bir örneği radyo iletişiminin, televizyonun, lazerlerin vb. etkisidir. Bununla birlikte, alanın birçok özelliği yeterince araştırılmamıştır veya henüz bilinmemektedir. Alanın fiziksel özelliklerinin ve alan ile madde arasındaki etkileşimin incelenmesi, modern fiziğin en önemli bilimsel problemlerinden biridir.
Herhangi bir elektrik yükü uzayda, diğer yüklerle etkileşime girdiği bir elektrik alanı yaratır. Bir elektrik alanı yalnızca elektrik yüklerine etki eder. Dolayısıyla böyle bir alan yalnızca tek bir şekilde tespit edilebilir: Uzayın bizi ilgilendiren noktasına bir test yükü gönderilerek. Bu noktada bir alan varsa, o zaman ona bir elektrik kuvveti etki edecektir.
Bir alan test yükü ile incelendiğinde, varlığının incelenen alanı bozmadığına inanılır. Bu, test yükünün büyüklüğünün, alanı oluşturan yüklere kıyasla çok küçük olması gerektiği anlamına gelir. Pozitif yükün test yükü olarak kullanılmasına karar verildi.
Coulomb yasasından, elektrik yükleri arasındaki etkileşim kuvvetinin mutlak değerinin, aralarındaki mesafe arttıkça azaldığı, ancak hiçbir zaman tamamen ortadan kalkmadığı sonucu çıkmaktadır. Bu, teorik olarak elektrik yükü alanının sonsuza kadar uzandığı anlamına gelir. Ancak pratikte alanın yalnızca test yüküne fark edilebilir bir kuvvetin etki ettiği yerde mevcut olduğuna inanıyoruz.
Bir yük hareket ettiğinde alanının da onunla birlikte hareket ettiğini de belirtelim. Yük, uzayın herhangi bir noktasındaki test yükü üzerindeki elektrik kuvvetinin pratikte hiçbir etkisi olmayacak kadar kaldırıldığında, gerçekte uzaydaki diğer noktalara taşınmış olmasına rağmen, alanın ortadan kaybolduğunu söyleriz.
Temel fiziksel kavramlara göre bir elektrik alanı, yüklü cisimlerin etrafında ortaya çıkan ve bu tür cisimler arasındaki etkileşimin belirli bir sonlu hızda ve kesinlikle sınırlı bir alanda düzenlenmesini etkileyen özel bir maddi ortamdan başka bir şey değildir.
Hem sabit hem de hareketli cisimlerde bir elektrik alanının ortaya çıkabileceği uzun zamandır kanıtlanmıştır. Varlığının ana göstergesi, üzerindeki etkisidir.
Ana niceliksel olanlardan biri “alan gücü” kavramıdır. Sayısal olarak bu terim, bir test yüküne doğrudan etki eden kuvvetin, bu yükün niceliksel ifadesine oranı anlamına gelir.
Yükün test olması, kendisinin bu alanın oluşumunda herhangi bir rol oynamaması anlamına gelir ve değeri o kadar küçüktür ki, orijinal verilerde herhangi bir bozulmaya yol açmaz. Alan kuvveti, geleneksel olarak N/C'ye eşit olan V/m cinsinden ölçülür.
Ünlü İngiliz araştırmacı M. Faraday, elektrik alanını grafiksel olarak temsil etme yöntemini bilimsel kullanıma sundu. Ona göre bu özel madde türü çizimde sürekli çizgiler halinde tasvir edilmelidir. Bunlar daha sonra "elektrik alan yoğunluk çizgileri" olarak bilinmeye başlandı ve temel fizik yasalarına dayanan yönleri, yoğunluğun yönüyle örtüşüyor.
Gerilimin kalınlık veya yoğunluk gibi niteliksel özelliklerini göstermek için kuvvet çizgileri gereklidir. Bu durumda gerilim çizgilerinin yoğunluğu birim yüzeydeki sayısına bağlıdır. Alan çizgilerinin oluşturulan resmi, alan gücünün niceliksel ifadesini kendi bölümlerinde belirlemenize ve nasıl değiştiğini öğrenmenize olanak tanır.
Dielektriklerin elektrik alanı oldukça ilginç özelliklere sahiptir. Bilindiği gibi dielektrikler, pratik olarak serbest yüklü parçacıkların bulunmadığı maddelerdir, bu nedenle iletken olma kabiliyetine sahip değildirler. Bu tür maddeler öncelikle tüm gazları, seramikleri, porselenleri, damıtılmış suyu, mikaları içermelidir. , vesaire.
Bir dielektrikteki alan kuvvetini belirlemek için içinden bir elektrik alanının geçmesi gerekir. Etkisi altında dielektrikteki bağlı yükler değişmeye başlar, ancak moleküllerinin sınırlarını terk edemezler. Yönlü yer değiştirme, pozitif yüklü olanların elektrik alanının yönü boyunca, negatif yüklü olanların ise karşı yönde yer değiştirdiğini ima eder. Bu manipülasyonların bir sonucu olarak, dielektrik içinde yönü dış alanın tam tersi olan yeni bir elektrik alanı ortaya çıkar. Bu iç alan, dış alanı gözle görülür şekilde zayıflatır, bu nedenle ikincisinin gerilimi düşer.
Alan gücü, bu özel madde türünün harici bir elektrik yüküne etki ettiği kuvvetle doğru orantılı olan en önemli niceliksel özelliğidir. Bu değeri görmek imkansız olmasına rağmen, alan çizgilerinin çizimi yardımıyla uzaydaki yoğunluğu ve yönü hakkında fikir edinebilirsiniz.
Ayrıntılar Kategori: Elektrik ve Manyetizma Yayınlandı 06/05/2015 20:46 Görüntüleme: 13114Belirli koşullar altında, alternatif elektrik ve manyetik alanlar birbirini üretebilir. Hiç de onların bütünlüğü olmayan bir elektromanyetik alan oluştururlar. Bu iki alanın birbiri olmadan var olamayacağı tek bir bütündür.
Tarihten
Danimarkalı bilim adamı Hans Christian Oersted'in 1821'de gerçekleştirdiği deney, elektrik akımının manyetik alan oluşturduğunu gösterdi. Buna karşılık, değişen bir manyetik alan elektrik akımı üretebilir. Bu, 1831'de elektromanyetik indüksiyon olgusunu keşfeden İngiliz fizikçi Michael Faraday tarafından kanıtlandı. Aynı zamanda “elektromanyetik alan” teriminin de yazarıdır.
O dönemde Newton'un uzun menzilli etki kavramı fizikte kabul görüyordu. Tüm cisimlerin boşlukta sonsuz yüksek hızda (neredeyse anında) ve herhangi bir mesafede birbirlerine etki ettiğine inanılıyordu. Elektrik yüklerinin benzer şekilde etkileştiği varsayılmıştır. Faraday, doğada boşluğun bulunmadığına ve etkileşimin belirli bir maddi ortam aracılığıyla sonlu bir hızda gerçekleştiğine inanıyordu. Elektrik yükleri için bu ortam elektromanyetik alan. Ve ışık hızına eşit bir hızla hareket eder.
Maxwell'in teorisi
Önceki çalışmaların sonuçlarını birleştirerek, İngiliz fizikçi James Clerk Maxwell 1864'te yaratıldı elektromanyetik alan teorisi. Buna göre, değişen bir manyetik alan, değişen bir elektrik alanı oluşturur ve alternatif bir elektrik alanı, alternatif bir manyetik alan üretir. Elbette alanlardan ilki bir yük veya akım kaynağı tarafından yaratılır. Ancak gelecekte bu alanlar bu tür kaynaklardan bağımsız olarak var olabilir ve birbirlerinin ortaya çıkmasına neden olabilir. Yani, elektrik ve manyetik alanlar tek bir elektromanyetik alanın bileşenleridir. Ve birindeki her değişiklik, diğerinin ortaya çıkmasına sebep olur. Bu hipotez Maxwell'in teorisinin temelini oluşturur. Manyetik alanın ürettiği elektrik alanı bir girdaptır. Güç hatları kapalı.
Bu teori fenomenolojiktir. Bu, varsayımlara ve gözlemlere dayanarak oluşturulduğu ve elektrik ve manyetik alanların nedenini dikkate almadığı anlamına gelir.
Elektromanyetik alanın özellikleri
Elektromanyetik alan, elektrik ve manyetik alanların birleşimidir, dolayısıyla uzayındaki her noktada iki ana büyüklükle tanımlanır: elektrik alan kuvveti e ve manyetik alan indüksiyonu İÇİNDE .
Elektromanyetik alan, bir elektrik alanını manyetik alana ve ardından manyetik alanı elektriğe dönüştürme işlemi olduğundan, durumu sürekli değişmektedir. Uzayda ve zamanda yayılarak elektromanyetik dalgalar oluşturur. Frekans ve uzunluğa bağlı olarak bu dalgalar aşağıdakilere ayrılır: radyo dalgaları, terahertz radyasyonu, kızılötesi radyasyon, görünür ışık, ultraviyole radyasyon, x-ışınları ve gama ışınları.
Elektromanyetik alanın yoğunluk ve indüksiyon vektörleri karşılıklı olarak diktir ve içinde bulundukları düzlem, dalganın yayılma yönüne diktir.
Uzun menzilli etki teorisinde, elektromanyetik dalgaların yayılma hızının sonsuz derecede büyük olduğu düşünülüyordu. Ancak Maxwell durumun böyle olmadığını kanıtladı. Bir maddede elektromanyetik dalgalar, maddenin dielektrik ve manyetik geçirgenliğine bağlı olarak sonlu bir hızda yayılır. Bu nedenle Maxwell Teorisine kısa mesafeli eylem teorisi denir.
Maxwell'in teorisi 1888'de Alman fizikçi Heinrich Rudolf Hertz tarafından deneysel olarak doğrulandı. Elektromanyetik dalgaların var olduğunu kanıtladı. Dahası, elektromanyetik dalgaların boşlukta yayılma hızını ölçtü ve bu hızın ışık hızına eşit olduğu ortaya çıktı.
İntegral formda bu yasa şöyle görünür:
Gauss'un manyetik alan yasası
Kapalı bir yüzeyden manyetik indüksiyon akısı sıfırdır.
Bu yasanın fiziksel anlamı, doğada manyetik yüklerin bulunmadığıdır. Mıknatısın kutupları birbirinden ayrılamaz. Manyetik alan çizgileri kapalıdır.
Faraday'ın İndüksiyon Yasası
Manyetik indüksiyondaki bir değişiklik girdap elektrik alanının ortaya çıkmasına neden olur.
,
Manyetik alan sirkülasyon teoremi
Bu teorem, manyetik alanın kaynaklarını ve bunların yarattığı alanları açıklar.
Elektrik akımı ve elektriksel indüksiyondaki değişiklikler girdap manyetik alanı oluşturur.
,
,
e– elektrik alan kuvveti;
N- manyetik alan kuvveti;
İÇİNDE- manyetik indüksiyon. Bu, v hızıyla hareket eden q büyüklüğündeki bir yüke manyetik alanın etki ettiği kuvveti gösteren vektör miktarıdır;
D– elektriksel indüksiyon veya elektriksel yer değiştirme. Yoğunluk vektörü ile polarizasyon vektörünün toplamına eşit bir vektör miktarıdır. Polarizasyon, harici bir elektrik alanının etkisi altındaki elektrik yüklerinin, böyle bir alan olmadığında konumlarına göre yer değiştirmesinden kaynaklanır.
Δ - operatör Nabla. Bu operatörün belirli bir alan üzerindeki eylemine bu alanın rotoru denir.
Δ x E = çürük E
ρ - harici elektrik yükünün yoğunluğu;
J- akım yoğunluğu - birim alandan akan akımın gücünü gösteren bir değer;
İle– ışığın boşluktaki hızı.
Elektromanyetik alanın incelenmesi bir bilimdir. elektrodinamik. Elektrik yükü olan cisimlerle etkileşimini düşünüyor. Bu etkileşime denir elektromanyetik. Klasik elektrodinamik, Maxwell denklemlerini kullanarak elektromanyetik alanın yalnızca sürekli özelliklerini açıklar. Modern kuantum elektrodinamiği, elektromanyetik alanın aynı zamanda ayrık (süreksiz) özelliklere sahip olduğuna inanmaktadır. Ve böyle bir elektromanyetik etkileşim, kütlesi ve yükü olmayan, bölünemez parçacıkların - kuantumların - yardımıyla gerçekleşir. Elektromanyetik alan kuantumu denir foton .
Etrafımızdaki elektromanyetik alan
Alternatif akım taşıyan herhangi bir iletkenin etrafında bir elektromanyetik alan oluşur. Elektromanyetik alanların kaynakları enerji hatları, elektrik motorları, transformatörler, şehir içi elektrikli ulaşım, demiryolu taşımacılığı, elektrikli ve elektronik ev aletleri - televizyonlar, bilgisayarlar, buzdolapları, ütüler, elektrikli süpürgeler, telsiz telefonlar, cep telefonları, elektrikli tıraş makineleri - kısacası ilgili her şey elektrik tüketimi veya iletimi. Elektromanyetik alanların güçlü kaynakları televizyon vericileri, cep telefonu istasyonlarının antenleri, radar istasyonları, mikrodalga fırınlar vb.'dir. Çevremizde bu tür cihazlardan oldukça fazla olduğu için elektromanyetik alanlar bizi her yerde çevreliyor. Bu alanlar çevreyi ve insanı etkilemektedir. Bu, bu etkinin her zaman olumsuz olduğu anlamına gelmez. Elektrik ve manyetik alanlar insanların çevresinde uzun zamandır mevcuttu, ancak radyasyonun gücü birkaç on yıl önce bugüne göre yüzlerce kat daha düşüktü.
Belirli bir seviyeye kadar elektromanyetik radyasyon insanlar için güvenli olabilir. Bu nedenle tıpta dokuları iyileştirmek, inflamatuar süreçleri ortadan kaldırmak, analjezik etkiye sahip olmak için düşük yoğunluklu elektromanyetik radyasyon kullanılır. UHF cihazları, bağırsakların ve midenin düz kaslarının spazmlarını hafifletir, vücut hücrelerindeki metabolik süreçleri iyileştirir, kılcal damarların tonunu azaltır ve kan basıncını düşürür.
Ancak güçlü elektromanyetik alanlar, insanın kalp-damar, bağışıklık, endokrin ve sinir sistemlerinin işleyişinde bozulmalara neden olur ve uykusuzluğa, baş ağrısına ve strese neden olabilir. Tehlike, etkilerinin insanlar tarafından neredeyse görünmez olmasıdır ve rahatsızlıklar yavaş yavaş ortaya çıkar.
Çevremizi saran elektromanyetik radyasyondan kendimizi nasıl koruyabiliriz? Bunu tamamen yapmak imkansızdır, bu nedenle etkisini en aza indirmeye çalışmanız gerekir. Öncelikle ev aletlerini en sık bulunduğumuz yerlerden uzakta olacak şekilde düzenlemeniz gerekiyor. Örneğin televizyona çok yakın oturmayın. Sonuçta elektromanyetik alanın kaynağından uzaklaştıkça zayıflar. Çoğu zaman cihazı fişe takılı bırakıyoruz. Ancak elektromanyetik alan yalnızca cihazın elektrik şebekesinden bağlantısı kesildiğinde kaybolur.
İnsan sağlığı aynı zamanda doğal elektromanyetik alanlardan da etkilenir - kozmik radyasyon, Dünyanın manyetik alanı.
Bazı yüklü cisimlerin diğer yüklü cisimler üzerindeki etkisi, doğrudan temas olmadan, bir elektrik alanı aracılığıyla gerçekleştirilir.
Elektrik alanı maddidir. Bizden ve onun hakkındaki bilgimizden bağımsız olarak var olur.
Bir elektrik alanı, elektrik yükleri tarafından oluşturulur ve üzerlerine belirli bir kuvvetin uygulanmasıyla elektrik yükleri tarafından algılanır.
Elektrik alanı boşlukta 300.000 km/s hızla yayılır.
Elektrik alanının ana özelliklerinden biri, belirli bir kuvvetle yüklü parçacıklar üzerindeki etkisi olduğundan, alanın niceliksel özelliklerini tanıtmak için, uzayda bulunan noktaya q yükü (test yükü) olan küçük bir cisim yerleştirmek gerekir. okudu. Bu cismin üzerine sahadan bir kuvvet etki edecek
|
|
|
Örneğin test yükünün boyutunu iki kat değiştirirseniz, ona etki eden kuvvet de iki kat değişecektir.
Test yükünün değeri n faktörü kadar değiştiğinde, yüke etki eden kuvvet de n faktörü kadar değişir.
Alanın belirli bir noktasına yerleştirilen bir deneme yüküne etkiyen kuvvetin bu yükün büyüklüğüne oranı sabit bir değerdir ve ne bu kuvvete, ne yükün büyüklüğüne ne de var olup olmadığına bağlı değildir. herhangi bir ücret. Bu oran bir harfle gösterilir ve elektrik alanının kuvvet karakteristiği olarak alınır. Karşılık gelen fiziksel miktara denir elektrik alan kuvveti .
Gerilim, elektrik alanının belirli bir noktaya yerleştirilen birim yüke ne kadar kuvvet uyguladığını gösterir.
Gerilme birimini bulmak için, tanımlayıcı gerilim denkleminde kuvvet - 1 N ve yük - 1 C birimlerini kullanmanız gerekir. Şunu elde ederiz: [ E ] = 1 N / 1 Cl = 1 N / Cl.
Açıklık sağlamak amacıyla çizimlerdeki elektrik alanları, alan çizgileri kullanılarak gösterilmektedir.
|
|
|
|
|
Bir elektrik alanı, bir yükü bir noktadan diğerine taşımak için iş yapabilir. Buradan, Alanın belirli bir noktasına yerleştirilen yükün potansiyel enerji rezervi vardır.
Alanın enerji özellikleri, kuvvet karakteristiğinin girilmesine benzer şekilde girilebilir.
Test yükünün boyutu değiştiğinde, yalnızca ona etki eden kuvvet değil, aynı zamanda bu yükün potansiyel enerjisi de değişir. Alanın belirli bir noktasında bulunan test yükünün enerjisinin bu yükün değerine oranı sabit bir değerdir ve ne enerjiye ne de yüke bağlı değildir.
Bir potansiyel birimi elde etmek için, enerji birimlerini - 1 J ve yük - 1 C'yi potansiyelin tanımlayıcı denklemine koymak gerekir. Şunu elde ederiz: [φ] = 1 J / 1 C = 1 V.
Bu birimin kendi adı vardır: 1 volt.
Bir nokta yükün alan potansiyeli, alanı oluşturan yükün büyüklüğüyle doğru orantılıdır ve yükten alandaki belirli bir noktaya olan mesafeyle ters orantılıdır:
|
|
|
Çizimlerdeki elektrik alanları aynı zamanda eşit potansiyele sahip yüzeyler kullanılarak da temsil edilebilir. eş potansiyel yüzeyler .
Bir elektrik yükü bir potansiyele sahip bir noktadan başka bir potansiyele sahip bir noktaya hareket ettiğinde iş yapılmış olur.
Bir yükü alanın bir noktasından başka bir noktasına taşımak için yapılan işin bu yükün değerine oranına eşit olan fiziksel niceliğe denir. elektrik voltajı :
Gerilim, 1 C'lik bir yükü alandaki bir noktadan diğerine hareket ettirirken bir elektrik alanının ne kadar iş yaptığını gösterir.
Gerilimin ve potansiyelin birimi 1 V'tur.
Birbirinden d uzaklıkta bulunan iki alan noktası arasındaki voltaj, alan gücüyle ilgilidir: 
|
|
|
Düzgün bir elektrik alanında, bir yükü alanın bir noktasından diğerine taşıma işi yörüngenin şekline bağlı değildir ve yalnızca yükün büyüklüğü ve alanın noktaları arasındaki potansiyel farkla belirlenir.
Coulomb yasasına göre, iki sabit yüklü nokta cisim arasındaki etkileşimin kuvveti, yüklerinin çarpımı ile orantılı, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.
Yüklü cisimler arasındaki etkileşimin elektriksel kuvveti, yüklerinin büyüklüğüne, cisimlerin boyutuna, aralarındaki mesafeye ve ayrıca bu yüklerin bulunduğu cisimlerin kısımlarına bağlıdır. Yüklü cisimlerin boyutları aralarındaki mesafeden önemli ölçüde azsa, bu tür cisimlere nokta cisimler denir. Nokta yüklü cisimler arasındaki etkileşimin gücü yalnızca yüklerinin büyüklüğüne ve aralarındaki mesafeye bağlıdır.
Nokta yüklü iki cismin etkileşimini tanımlayan yasa, Fransız fizikçi C. Coulomb tarafından, benzer şekilde yüklü küçük metal toplar arasındaki itme kuvvetini ölçtüğünde oluşturulmuştur (bkz. Şekil 34a). Kolyenin kurulumu, ince elastik bir gümüş iplikten (1) ve bunun üzerine asılan hafif bir cam çubuktan (2), bir ucuna yüklü bir metal topun (3) takıldığı ve diğer ucunda bir karşı ağırlıktan (4) oluşuyordu. Sabit bilya (5) ile bilya 3 arasındaki itme kuvveti, ipliğin belirli bir açıda (a) bükülmesine neden oldu ve bu kuvvetin büyüklüğü belirlenebilir. Coulomb, eşit yüklü 3 ve 5 numaralı topları birbirine yaklaştırıp uzaklaştırarak aralarındaki itme kuvvetinin aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı olduğunu buldu.
Toplar arasındaki etkileşim kuvvetinin yüklerinin büyüklüğüne nasıl bağlı olduğunu belirlemek için Coulomb şu şekilde ilerledi. İlk olarak, aynı yüklü toplar (3 ve 5) arasındaki kuvveti ölçtü ve ardından yüklü toplardan (3) birini, aynı büyüklükteki yüksüz bir başka topa (6) dokundurdu. Coulomb, aynı metal toplar birbirine temas ettiğinde, elektrik yükünün bunlar arasında eşit olarak dağıtılacağına ve dolayısıyla orijinal yükünün yalnızca yarısının top 3'te kalacağına haklı olarak inanıyordu. Aynı zamanda, deneylerin gösterdiği gibi, 3 ve 5 numaralı toplar arasındaki itme kuvveti orijinaline göre yarı yarıya azaldı. Coulomb, topların yüklerini de benzer şekilde değiştirerek, topların yüklerinin çarpımı ile orantılı bir kuvvetle etkileşime girdiğini tespit etti.
Çok sayıda deney sonucunda Coulomb, birbirinden r mesafesinde bulunan q1 ve q2 yüklerine sahip iki sabit nokta gövdesi arasında etki eden F 12 kuvvetinin modülünü belirleyen bir yasa formüle etti:
burada k, değeri kullanılan birim sistemine bağlı olan ve genellikle birim sistemlerinin kullanılmaya başlanmasının geçmişiyle ilgili nedenlerden dolayı (4pe0)-1 ile değiştirilen bir orantı katsayısıdır (bkz. 34.1). e0'a elektrik sabiti denir. F 12 kuvvet vektörü, cisimleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilir, böylece zıt yüklü cisimler birbirini çeker ve benzer yüklü cisimler iter (Şekil 34b). Bu yasaya (bkz. 34.1) Coulomb yasası denir ve karşılık gelen elektrik kuvvetlerine Coulomb kuvvetleri denir. Coulomb yasası, yani etkileşim kuvvetinin yüklü cisimler arasındaki mesafenin ikinci kuvvetine bağımlılığı hâlâ deneysel doğrulamaya tabidir. Artık Coulomb yasasındaki üssün ikiden 6,10-16'dan fazla farklı olamayacağı gösterilmiştir.
Elektrik yükünün SI birimi coulomb'dur (C). 1 C'lik yük, 1 amperlik (A) akım gücünde bir iletkenin kesitinden 1 saniyede geçen yüke eşittir. SI sisteminde
k = 9,109 N.m2 / Cl2 ve e0 = 8.8.10-12 Cl2 / (N.m2) (34.2)
SI cinsinden temel elektrik yükü e:
e = 1.6.10 -19Cl. (34.3)
Görünüşe göre Coulomb yasası evrensel çekim yasasına (11.1) çok benzer, eğer ikincisinde kütleleri yüklerle değiştirirsek. Bununla birlikte, dışsal benzerliğe rağmen, yerçekimi ve Coulomb kuvvetleri birbirinden şu şekilde farklıdır:
1. Yerçekimi kuvvetleri her zaman cisimleri çeker ve Coulomb kuvvetleri cisimleri hem çekebilir hem de itebilir,
2. Coulomb kuvvetleri yerçekimsel kuvvetlerden çok daha güçlüdür, örneğin iki elektronu birbirinden iten Coulomb kuvveti yerçekimsel çekim kuvvetinden 1042 kat daha büyüktür.
Soruları gözden geçirin:
· Nokta yüklü cisim nedir?
· Coulomb'un kendi adını taşıyan yasayı oluşturduğu deneyleri açıklayın?
Pirinç. 34. (a) - benzer yükler arasındaki itme kuvvetlerini belirlemek için Coulomb'un deney düzeneğinin diyagramı; (b) – formül (34.1)'i kullanarak Coulomb kuvvetlerinin etkisinin büyüklüğünü ve yönünü belirlemek.
§ 35. ELEKTRİK ALAN. TANSİYON. ALANLARIN SÜPERPOZİSYONU İLKESİ.
Coulomb yasası iki yük arasındaki etkileşim kuvvetini hesaplamamıza izin verir, ancak bir yükün diğerine nasıl etki ettiğini açıklamaz. Örneğin, yüklerden biri ne kadar zaman sonra diğer yükün kendisine yaklaşmaya veya ondan uzaklaşmaya başladığını "hisseder"? Ücretler herhangi bir şekilde bağlantılı mı? Bu soruları yanıtlamak için, büyük İngiliz fizikçiler M. Faraday ve J. Maxwell, elektrik yükleri etrafında var olan maddi bir nesne olan elektrik alanı kavramını ortaya attılar. Böylece, q1 yükü kendi etrafında bir elektrik alanı oluşturur ve başka bir q2 yükü, bu alana girdiğinde Coulomb yasasına (34.1) göre q1 yükünün hareketini deneyimler. Üstelik, eğer q1 yükünün konumu değiştiyse, o zaman elektrik alanındaki değişim anında değil yavaş yavaş meydana gelecektir, böylece q1'den L mesafesinde alan değişiklikleri L/c zaman aralığından sonra meydana gelecektir, burada c ışık hızı 3,108 m/s'dir. Elektrik alanındaki değişikliklerdeki gecikme, yükler arasındaki etkileşimin kısa mesafe etkileşimi teorisiyle tutarlı olduğunu kanıtlıyor. Bu teori, birbirinden uzak olanlar da dahil olmak üzere cisimler arasındaki herhangi bir etkileşimi, aralarında herhangi bir maddi nesnenin veya sürecin varlığıyla açıklar. Yüklü cisimler arasında etkileşime giren maddi nesne onların elektrik alanıdır.
Belirli bir elektrik alanını karakterize etmek için, bu alanın farklı bölgelerindeki bir nokta yüke etki eden kuvveti ölçmek yeterlidir. Deneyler ve Coulomb kanunu (34.1), alandan gelen bir yüke etki eden kuvvetin, bu yükün büyüklüğü ile orantılı olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, alanın belirli bir noktasında bir yüke etki eden F kuvvetinin, bu yükün q büyüklüğüne oranı artık q'ya bağlı değildir ve elektrik alanının, gücü E olarak adlandırılan bir özelliğidir:
Elektrik alan kuvveti, (35.1)'den takip edildiği gibi, yönü, alanda belirli bir noktada pozitif yüke etki eden kuvvetin yönüyle çakışan bir vektördür. Coulomb yasasından (34.1), bir q noktasal yükünün alan kuvveti E modülünün, ona olan r mesafesine aşağıdaki şekilde bağlı olduğu sonucu çıkar:
Pozitif ve negatif yüklerin elektrik alanının çeşitli noktalarındaki gerilim vektörleri Şekil 2'de gösterilmektedir. 35a.
Elektrik alanı birkaç yükten (q 1, q 2, q 3, vb.) oluşuyorsa, deneyimin gösterdiği gibi, bu alandaki herhangi bir noktadaki E yoğunluğu, E 1, E yoğunluklarının toplamına eşittir. 2, E 3 vb. sırasıyla q 1, q 2, q 3 vb. yüklerin yarattığı elektrik alanları:
Bu, çeşitli yüklerin yarattığı alan gücünü belirlememize olanak tanıyan alanların üst üste binmesi (veya üst üste binmesi) ilkesidir (Şekil 35b).
Alan kuvvetinin çeşitli alanlarda nasıl değiştiğini göstermek için kuvvet çizgileri çizilir - sürekli çizgiler, teğetleri her noktada kuvvet vektörleriyle çakışır (Şekil 35c). Alan çizgileri birbiriyle kesişemez çünkü her noktada alan kuvveti vektörünün çok spesifik bir yönü vardır. Gerilim modülünün ve alan çizgilerinin yoğunluğunun arttığı yüklü cisimlerde başlar ve biterler. Alan çizgilerinin yoğunluğu elektrik alan şiddetinin modülü ile orantılıdır.
Soruları gözden geçirin:
· Elektrik alanı nedir ve kısa mesafe etki teorisiyle nasıl ilişkilidir?
· Elektrik alan kuvvetini tanımlayın.
· Alan süperpozisyonu ilkesini formüle edin.
· Alan çizgileri neye karşılık gelir ve özellikleri nelerdir?
Pirinç. 35. (a) - pozitif (üst) ve negatif (alt) yükün elektrik alanının çeşitli noktalarındaki yoğunluk vektörleri; yoğunluk vektörleri (b) ve aynı vektörler, farklı işaretlere sahip iki nokta yükünün elektrik alanının alan çizgileri (c) ile birlikte.
§ 36. ELEKTROSTATİK ALANDA İLETKENLER VE DİELEKTRİKLER.