La loi de Coulomb en termes simples. Ce que l'électrostatique peut faire Quelles études électrostatiques

Électrostatique- une branche de la doctrine de l'électricité, étudiant l'interaction des charges électriques immobiles.

Entre du même nom corps chargés, il y a une répulsion électrostatique (ou coulombienne), et entre différemment chargé - attraction électrostatique. Le phénomène de répulsion de charges similaires sous-tend la création d'un électroscope - un dispositif de détection de charges électriques.

L'électrostatique est basée sur la loi de Coulomb. Cette loi décrit l'interaction des charges électriques ponctuelles.

Histoire

Les bases de l'électrostatique ont été posées par les travaux de Coulomb (bien que dix ans avant lui, Cavendish ait obtenu les mêmes résultats, même avec une précision encore plus grande. Les résultats des travaux de Cavendish ont été conservés dans les archives familiales et ne seront publiés que cent ans plus tard) ; trouvé dernière loi les interactions électriques ont permis à Green, Gauss et Poisson de créer une théorie mathématiquement élégante. La partie la plus importante de l'électrostatique est la théorie du potentiel créée par Green et Gauss. De nombreuses recherches expérimentales sur l'électrostatique ont été menées par Rees, dont les livres étaient autrefois la principale aide à l'étude de ces phénomènes.

La constante diélectrique

Trouver la valeur du coefficient diélectrique K de n'importe quelle substance, un coefficient inclus dans presque toutes les formules qui doivent être traitées en électrostatique, peut être fait très différentes façons. Les méthodes les plus couramment utilisées sont les suivantes.

1) Comparaison des capacités électriques de deux condensateurs ayant la même taille et la même forme, mais dans lesquels l'un a une couche isolante d'air, l'autre a une couche du diélectrique à tester.

2) Comparaison de l'attraction entre les surfaces du condensateur, lorsqu'une certaine différence de potentiel est signalée à ces surfaces, mais dans un cas il y a de l'air entre elles (force d'attraction \u003d F 0), dans l'autre cas - l'isolant liquide de test (force d'attraction \u003d F). Le coefficient diélectrique se trouve par la formule :

3) Observations d'ondes électriques (voir Oscillations électriques) se propageant le long des fils. Selon la théorie de Maxwell, la vitesse de propagation des ondes électriques le long des fils s'exprime par la formule

dans laquelle K désigne le coefficient diélectrique du milieu entourant le fil, µ désigne la perméabilité magnétique de ce milieu. Il est possible de fixer μ = 1 pour la grande majorité des corps, et il s'avère donc

Habituellement, les longueurs d'ondes électriques stationnaires apparaissant dans des parties du même fil dans l'air et dans le diélectrique testé (liquide) sont généralement comparées. Ayant déterminé ces longueurs λ 0 et λ, on obtient K = λ 0 2 / λ 2. Selon la théorie de Maxwell, il s'ensuit que lorsqu'il est excité champ électrique dans toute substance isolante, des déformations particulières se produisent à l'intérieur de cette substance. Le long des tubes d'induction, le milieu isolant est polarisé. Des déplacements électriques s'y produisent, qui peuvent être assimilés aux mouvements de l'électricité positive dans la direction des axes de ces tubes, et à travers chaque section du tube passe une quantité d'électricité égale à

La théorie de Maxwell permet de trouver des expressions pour ces forces internes (forces de tension et de pression) qui apparaissent dans les diélectriques lorsqu'un champ électrique y est excité. Cette question a d'abord été examinée par Maxwell lui-même, puis plus tard et de manière plus approfondie par Helmholtz. Le développement ultérieur de la théorie de ce problème et de la théorie de l'électrostriction (c'est-à-dire une théorie qui considère les phénomènes qui dépendent de l'apparition de tensions spéciales dans les diélectriques lorsqu'un champ électrique y est excité) appartient aux travaux de Lorberg, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller et quelques autres.

Conditions frontalières

Finissons résumé le plus important du département de l'électrostriction en considérant la question de la réfraction des tubes à induction. Imaginez deux diélectriques dans un champ électrique, séparés l'un de l'autre par une surface S, avec des coefficients diélectriques K 1 et K 2 .

Soit aux points P 1 et P 2 situés infiniment près de la surface S de chaque côté, les grandeurs des potentiels sont exprimées par V 1 et V 2, et la grandeur des forces subies par l'unité d'électricité positive placée à ces passe par F 1 et F 2. Alors pour un point P situé sur la surface S elle-même, il devrait être V 1 = V 2,

si ds représente un déplacement infinitésimal le long de la ligne d'intersection du plan tangent à la surface S au point P avec un plan passant par la normale à la surface en ce point et par la direction de la force électrique en celle-ci. D'autre part, il devrait être

Soit ε 2 l'angle formé par la force F2 avec la normale n2 (à l'intérieur du deuxième diélectrique), et par ε 1 l'angle formé par la force F 1 avec la même normale n 2 Puis, à l'aide des formules (31) et (30 ), nous trouvons

Ainsi, sur la surface séparant deux diélectriques l'un de l'autre, la force électrique subit un changement de direction, comme un faisceau lumineux passant d'un milieu à un autre. Cette conséquence de la théorie est justifiée par l'expérience.

voir également

• décharge électrostatique

Littérature

• Landau, L.D., Lifshitz, E.M. Théorie des champs. - 7e édition, corrigée. - M. : Nauka, 1988. - 512 p. - ("Physique Théorique", Tome II). - ISBN 5-02-014420-7
• Matveev A.N. l'électricité et le magnétisme. Moscou : École supérieure, 1983.
• Tunnel M.-A. Principes fondamentaux de l'électromagnétisme et de la théorie de la relativité. Par. à partir de fr. M. : Littérature étrangère, 1962. 488 p.
• Borgman, "Fondements de la doctrine des phénomènes électriques et magnétiques" (vol. I);
• Maxwell, "Traité sur l'électricité et le magnétisme" (vol. I);
• Poincaré, "Electricité et Optique"" ;
• Wiedemann, "Die Lehre von der Elektricität" (vol. I);

Liens

• Constantin Bogdanov. Que peut l'électrostatique // Quantum. - M. : Bureau Quantum, 2010. - N°2.

Aide-mémoire avec des formules en physique pour l'examen

et pas seulement (peut nécessiter 7, 8, 9, 10 et 11 classes).

Pour commencer, une image qui peut être imprimée sous une forme compacte.

Mécanique

1. Pression P=F/S
2. Densité ρ=m/V
3. Pression à la profondeur du liquide P=ρ∙g∙h
4. Gravité Ft=mg
5. 5. Force d'Archimède Fa=ρ w ∙g∙Vt
6. Équation de mouvement pour un mouvement uniformément accéléré

X=X0 + υ 0∙t+(a∙t 2)/2 S=( υ 2 -υ 0 2) /2 à S=( υ +υ 0) ∙t /2

1. Équation de vitesse pour un mouvement uniformément accéléré υ =υ 0 +a∙t
2. Accélération a=( υ -υ 0)/t
3. Vitesse circulaire υ =2πR/T
4. Accélération centripète a= υ 2/R
5. Relation entre période et fréquence ν=1/T=ω/2π
6. Loi II de Newton F=ma
7. Loi de Hooke Fy=-kx
8. Loi de gravitation universelle F=G∙M∙m/R 2
9. Le poids d'un corps se déplaçant avec une accélération a P \u003d m (g + a)
10. Le poids d'un corps se déplaçant avec une accélération a ↓ P \u003d m (g-a)
11. Force de frottement Ffr=µN
12. Moment du corps p=m υ
13. Impulsion de force Ft=∆p
14. Moment M=F∙ℓ
15. Énergie potentielle d'un corps élevé au-dessus du sol Ep=mgh
16. Énergie potentielle du corps élastiquement déformé Ep=kx 2 /2
17. Energie cinétique du corps Ek=m υ 2 /2
18. Travail A=F∙S∙cosα
19. Puissance N=A/t=F∙ υ
20. Efficacité η=Ap/Az
21. Période d'oscillation du pendule mathématique T=2π√ℓ/g
22. Période d'oscillation d'un pendule à ressort T=2 π √m/k
23. L'équation des oscillations harmoniques Х=Хmax∙cos ωt
24. Relation entre la longueur d'onde, sa vitesse et sa période λ= υ J

Physique moléculaire et thermodynamique

1. Quantité de substance ν=N/ Na
2. Masse molaire M=m/ν
3. Épouser. proche. énergie des molécules de gaz monoatomique Ek=3/2∙kT
4. Équation de base de MKT P=nkT=1/3nm 0 υ 2
5. Loi de Gay-Lussac (processus isobare) V/T =const
6. Loi de Charles (processus isochore) P/T =const
7. Humidité relative φ=P/P 0 ∙100%
8. Int. énergie idéale. gaz monoatomique U=3/2∙M/µ∙RT
9. Travail au gaz A=P∙ΔV
10. Loi de Boyle - Mariotte (processus isotherme) PV=const
11. La quantité de chaleur pendant le chauffage Q \u003d Cm (T 2 -T 1)
12. La quantité de chaleur pendant la fusion Q=λm
13. La quantité de chaleur pendant la vaporisation Q=Lm
14. La quantité de chaleur pendant la combustion du carburant Q=qm
15. L'équation d'état d'un gaz parfait est PV=m/M∙RT
16. Première loi de la thermodynamique ΔU=A+Q
17. Rendement des moteurs thermiques η= (Q 1 - Q 2) / Q 1
18. Efficacité idéale. moteurs (cycle de Carnot) η \u003d (T 1 - T 2) / T 1

Électrostatique et électrodynamique - formules en physique

1. Loi de Coulomb F=k∙q 1 ∙q 2 /R 2
2. Intensité du champ électrique E=F/q
3. Tension des e-mails. champ d'une charge ponctuelle E=k∙q/R 2
4. Densité de charge de surface σ = q/S
5. Tension des e-mails. champs du plan infini E=2πkσ
6. Constante diélectrique ε=E 0 /E
7. Énergie potentielle d'interaction. charge W= k∙q 1 q 2 /R
8. Potentiel φ=W/q
9. Potentiel de charge ponctuelle φ=k∙q/R
10. Tension U=A/q
11. Pour un champ électrique uniforme U=E∙d
12. Capacité électrique C=q/U
13. Capacité d'un condensateur plat C=S∙ ε ∙ε 0/j
14. Énergie d'un condensateur chargé W=qU/2=q²/2С=CU²/2
15. Courant I=q/t
16. Résistance du conducteur R=ρ∙ℓ/S
17. Loi d'Ohm pour la section de circuit I=U/R
18. Les lois du dernier composés I 1 \u003d I 2 \u003d I, U 1 + U 2 \u003d U, R 1 + R 2 \u003d R
19. Lois parallèles. Connecticut. U 1 \u003d U 2 \u003d U, je 1 + je 2 \u003d je, 1 / R 1 + 1 / R 2 \u003d 1 / R
20. Puissance électrique P=I∙U
21. Loi de Joule-Lenz Q=I 2 Rt
22. Loi d'Ohm pour une chaîne complète I=ε/(R+r)
23. Courant de court-circuit (R=0) I=ε/r
24. Vecteur d'induction magnétique B=Fmax/ℓ∙I
25. Ampère Force Fa=IBℓsin α
26. Force de Lorentz Fл=Bqυsin α
27. Flux magnétique Ф=BSсos α Ф=LI
28. Loi d'induction électromagnétique Ei=ΔФ/Δt
29. FEM d'induction dans le conducteur en mouvement Ei=Вℓ υ sinα
30. FEM d'auto-induction Esi=-L∙ΔI/Δt
31. L'énergie du champ magnétique de la bobine Wm \u003d LI 2 / 2
32. Comptage de la période d'oscillation. contour T=2π ∙√LC
33. Réactance inductive X L =ωL=2πLν
34. Capacité Xc=1/ωC
35. La valeur actuelle du courant Id \u003d Imax / √2,
36. Tension efficace Ud=Umax/√2
37. Impédance Z=√(Xc-X L) 2 +R 2

Optique

1. La loi de réfraction de la lumière n 21 \u003d n 2 / n 1 \u003d υ 1 / υ 2
2. Indice de réfraction n 21 =sin α/sin γ
3. Formule lentille mince 1/F=1/d + 1/f
4. Puissance optique de la lentille D=1/F
5. interférence max : Δd=kλ,
6. interférence min : Δd=(2k+1)λ/2
7. Réseau différentiel d∙sin φ=k λ

La physique quantique

1. Formule d'Einstein pour l'effet photoélectrique hν=Aout+Ek, Ek=U ze
2. Bordure rouge de l'effet photoélectrique ν to = Aout/h
3. Moment photonique P=mc=h/ λ=E/s

Physique du noyau atomique

En électrostatique, la loi de Coulomb est l'une des plus fondamentales. Il est utilisé en physique pour déterminer la force d'interaction entre deux charges ponctuelles fixes ou la distance qui les sépare. C'est une loi fondamentale de la nature qui ne dépend d'aucune autre loi. Ensuite, la forme du corps réel n'affecte pas l'amplitude des forces. Dans cet article, nous allons expliquer en termes simples la loi de Coulomb et son application en pratique.

Historique de la découverte

Sh.O. Coulomb en 1785 a prouvé expérimentalement pour la première fois les interactions décrites par la loi. Dans ses expériences, il a utilisé une balance de torsion spéciale. Cependant, en 1773, Cavendish a prouvé, en utilisant l'exemple d'un condensateur sphérique, qu'il n'y a pas de champ électrique à l'intérieur de la sphère. Cela suggère que les forces électrostatiques changent en fonction de la distance entre les corps. Pour être plus précis - le carré de la distance. Ensuite, ses recherches n'ont pas été publiées. Historiquement, cette découverte a été nommée d'après Coulomb, et la quantité dans laquelle la charge est mesurée porte un nom similaire.

Formulation

La définition de la loi de Coulomb est : dans le videL'interaction F de deux corps chargés est directement proportionnelle au produit de leurs modules et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Cela semble court, mais ce n'est peut-être pas clair pour tout le monde. En termes simples : Plus les corps sont chargés et plus ils sont proches les uns des autres, plus la force est grande.

Et vice versa: Si vous augmentez la distance entre les charges, la force diminuera.

La formule de la règle de Coulomb ressemble à ceci :

Désignation des lettres: q - valeur de charge, r - distance entre elles, k - coefficient, dépend du système d'unités choisi.

La valeur de la charge q peut être conditionnellement positive ou conditionnellement négative. Cette division est très conditionnelle. Lorsque des corps entrent en contact, cela peut se transmettre de l'un à l'autre. Il s'ensuit qu'un même corps peut avoir une charge de grandeur et de signe différents. Une charge ponctuelle est telle une charge ou un corps dont les dimensions sont bien inférieures à la distance d'interaction possible.

Il faut tenir compte du fait que l'environnement dans lequel se trouvent les charges affecte l'interaction F. Comme elle est à peu près égale dans l'air et dans le vide, la découverte de Coulomb n'est applicable que pour ces milieux, c'est une des conditions d'application de ce type de formule. Comme déjà mentionné, dans le système SI, l'unité de charge est Coulomb, en abrégé Cl. Il caractérise la quantité d'électricité par unité de temps. C'est un dérivé des unités SI de base.

1 C = 1 A * 1 s

Il convient de noter que la dimension de 1 C est redondante. Du fait que les porteurs se repoussent, il est difficile de les maintenir dans un petit corps, bien que le courant 1A lui-même soit faible s'il circule dans un conducteur. Par exemple, dans la même lampe à incandescence de 100 W, un courant de 0,5 A circule, et dans un radiateur électrique et plus de 10 A. Une telle force (1 C) est approximativement égale à la force agissant sur un corps d'une masse de 1 t du côté du globe.

Vous avez peut-être remarqué que la formule est presque la même que dans l'interaction gravitationnelle, seulement si les masses apparaissent dans la mécanique newtonienne, alors les charges apparaissent dans l'électrostatique.

Formule de Coulomb pour un milieu diélectrique

Le coefficient, tenant compte des valeurs du système SI, est déterminé en N 2 *m 2 /Cl 2. Il est égal à :

Dans de nombreux manuels, ce coefficient peut être trouvé sous la forme d'une fraction:

Ici E 0 \u003d 8,85 * 10-12 C2 / N * m2 est une constante électrique. Pour un diélectrique, E est ajouté - la constante diélectrique du milieu, puis la loi de Coulomb peut être utilisée pour calculer les forces d'interaction des charges pour le vide et le milieu.

Compte tenu de l'influence du diélectrique, il a la forme :

De là on voit que l'introduction d'un diélectrique entre les corps réduit la force F.

Comment les forces sont-elles dirigées ?

Les charges interagissent les unes avec les autres en fonction de leur polarité - les mêmes charges se repoussent et les charges opposées (opposées) s'attirent.

Soit dit en passant, c'est la principale différence par rapport à une loi similaire d'interaction gravitationnelle, où les corps s'attirent toujours. Les forces dirigées le long d'une ligne tracée entre elles s'appellent le rayon vecteur. En physique, il est noté r 12 et rayon vecteur de la première à la seconde charge et vice versa. Les forces sont dirigées du centre de la charge vers la charge opposée le long de cette ligne si les charges sont opposées, et dans le sens opposé si elles sont du même nom (deux positives ou deux négatives). Sous forme vectorielle :

La force appliquée à la première charge à partir de la seconde est notée F 12. Ensuite, sous forme vectorielle, la loi de Coulomb ressemble à ceci :

Pour déterminer la force appliquée à la deuxième charge, les désignations F 21 et R 21 sont utilisées.

Si le corps a une forme complexe et est suffisamment grand pour qu'à une distance donnée il ne puisse pas être considéré comme un point, alors il est divisé en petites sections et chaque section est considérée comme une charge ponctuelle. Après l'addition géométrique de tous les vecteurs résultants, la force résultante est obtenue. Atomes et molécules interagissent selon la même loi.

Application en pratique

Les travaux de Coulomb sont très importants en électrostatique ; en pratique, ils sont utilisés dans un certain nombre d'inventions et de dispositifs. Un exemple frappant est le paratonnerre. Avec son aide, ils protègent les bâtiments et les installations électriques des orages, prévenant ainsi les incendies et les pannes d'équipement. Lorsqu'il pleut avec un orage, une charge induite de grande ampleur apparaît sur la terre, elle est attirée vers le nuage. Il s'avère qu'un grand champ électrique apparaît à la surface de la terre. Près de la pointe du paratonnerre, il a une grande valeur, à la suite de quoi une décharge corona est déclenchée à partir de la pointe (du sol, à travers le paratonnerre jusqu'au nuage). La charge du sol est attirée par la charge opposée du nuage, selon la loi de Coulomb. L'air est ionisé et l'intensité du champ électrique diminue près de l'extrémité du paratonnerre. Ainsi, les charges ne s'accumulent pas sur le bâtiment, auquel cas la probabilité d'un coup de foudre est faible. Si un coup sur le bâtiment se produit, alors à travers le paratonnerre toute l'énergie ira dans le sol.

Dans la recherche scientifique sérieuse, la plus grande construction du 21e siècle est utilisée - l'accélérateur de particules. Dans celui-ci, le champ électrique fait le travail d'augmenter l'énergie de la particule. En considérant ces processus du point de vue de l'impact sur une charge ponctuelle d'un groupe de charges, alors toutes les relations de la loi s'avèrent valables.

Utile

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  Les bases de l'électrostatique ont été posées par les travaux de Coulomb (bien que dix ans avant lui, Cavendish ait obtenu les mêmes résultats, même avec une précision encore plus grande. Les résultats des travaux de Cavendish ont été conservés dans les archives familiales et ne seront publiés que cent ans plus tard) ; la loi des interactions électriques trouvée par ce dernier a permis à Green, Gauss et Poisson de créer une théorie mathématiquement élégante. La partie la plus essentielle de l'électrostatique est la théorie du potentiel créée par Green et Gauss. De nombreuses recherches expérimentales sur l'électrostatique ont été menées par Rees, dont les livres étaient autrefois la principale aide à l'étude de ces phénomènes.

  La constante diélectrique

  Trouver la valeur du coefficient diélectrique K de n'importe quelle substance, coefficient inclus dans presque toutes les formules qui doivent être traitées en électrostatique, peut se faire de manière très différente. Les méthodes les plus couramment utilisées sont les suivantes.

  1) Comparaison des capacités électriques de deux condensateurs ayant la même taille et la même forme, mais dans lesquels l'un a une couche isolante d'air, l'autre a une couche du diélectrique à tester.

  2) Comparaison de l'attraction entre les surfaces du condensateur, lorsqu'une certaine différence de potentiel est signalée à ces surfaces, mais dans un cas il y a de l'air entre elles (force d'attraction \u003d F 0), dans l'autre cas - l'isolant liquide de test (force d'attraction \u003d F). Le coefficient diélectrique se trouve par la formule :

  K = F 0 F . (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)

  3) Observations d'ondes électriques (voir Oscillations électriques) se propageant le long des fils. Selon la théorie de Maxwell, la vitesse de propagation des ondes électriques le long des fils s'exprime par la formule

  V = 1 Kμ . (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu ))).)

  dans laquelle K désigne le coefficient diélectrique du milieu entourant le fil, µ désigne la perméabilité magnétique de ce milieu. Il est possible de fixer μ = 1 pour la grande majorité des corps, et il s'avère donc

  V = 1K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)

  Habituellement, les longueurs d'ondes électriques stationnaires apparaissant dans des parties du même fil dans l'air et dans le diélectrique testé (liquide) sont généralement comparées. Après avoir déterminé ces longueurs λ 0 et λ, on obtient K = λ 0 2 / λ 2. Selon la théorie de Maxwell, il s'ensuit que lorsqu'un champ électrique est excité dans une substance isolante quelconque, des déformations particulières se produisent à l'intérieur de cette substance. Le long des tubes d'induction, le milieu isolant est polarisé. Des déplacements électriques s'y produisent, qui peuvent être assimilés aux mouvements de l'électricité positive dans la direction des axes de ces tubes, et à travers chaque section du tube passe une quantité d'électricité égale à

  ré = 1 4 π K F . (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)

  La théorie de Maxwell permet de trouver des expressions pour ces forces internes (forces de tension et de pression) qui apparaissent dans les diélectriques lorsqu'un champ électrique y est excité. Cette question a d'abord été examinée par Maxwell lui-même, puis plus tard et de manière plus approfondie par Helmholtz. Le développement ultérieur de la théorie de ce problème et de la théorie de l'électrostriction (c'est-à-dire une théorie qui considère les phénomènes qui dépendent de l'apparition de tensions spéciales dans les diélectriques lorsqu'un champ électrique y est excité) appartient aux travaux de Lorberg, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller et quelques autres.

  Conditions frontalières

  Terminons ce résumé des plus importants du département de l'électrostriction par un examen de la question de la réfraction des tubes à induction. Imaginez deux diélectriques dans un champ électrique, séparés l'un de l'autre par une surface S, avec des coefficients diélectriques K 1 et K 2 .

  Soit aux points P 1 et P 2 situés infiniment près de la surface S de chaque côté, les grandeurs des potentiels sont exprimées par V 1 et V 2, et la grandeur des forces subies par l'unité d'électricité positive placée à ces passe par F 1 et F 2. Alors pour un point P situé sur la surface S elle-même, il devrait être V 1 = V 2,

  ré V 1 ré s = ré V 2 ré s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))

  si ds représente un déplacement infinitésimal le long de la ligne d'intersection du plan tangent à la surface S au point P avec un plan passant par la normale à la surface en ce point et par la direction de la force électrique en celle-ci. D'autre part, il devrait être

  K 1 ré V 1 ré n 1 + K 2 ré V 2 ré n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))

  Soit ε 2 l'angle formé par la force F2 avec la normale n2 (à l'intérieur du deuxième diélectrique), et par ε 1 l'angle formé par la force F 1 avec la même normale n 2 Puis, à l'aide des formules (31) et (30 ), nous trouvons

  t g ε 1 t g ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)

  Ainsi, sur la surface séparant deux diélectriques l'un de l'autre, la force électrique subit un changement de direction, comme un faisceau lumineux passant d'un milieu à un autre. Cette conséquence de la théorie est justifiée par l'expérience.

  ... Toutes les prédictions de l'électrostatique découlent de ses deux lois.
  Mais c'est une chose de dire ces choses mathématiquement, et c'en est une autre
  appliquez-les avec facilité et avec la bonne dose d'esprit.
  Richard Feynmann

  L'électrostatique étudie l'interaction des charges fixes. Des expériences clés en électrostatique ont été menées aux XVIIe et XVIIIe siècles. Avec la découverte des phénomènes électromagnétiques et la révolution technologique qu'ils produisirent, l'intérêt pour l'électrostatique se perdit pour un temps. Cependant, moderne Recherche scientifique montrent la grande importance de l'électrostatique pour comprendre de nombreux processus de nature animée et inanimée.

  électrostatique et vie

  En 1953, les scientifiques américains S. Miller et G. Urey ont montré que l'un des "éléments constitutifs de la vie" - les acides aminés - peut être obtenu en faisant passer une décharge électrique à travers un gaz de composition similaire à l'atmosphère primitive de la Terre, constitué de méthane , ammoniac, hydrogène et vapeur d'eau. Au cours des 50 années suivantes, d'autres chercheurs ont répété ces expériences et ont obtenu les mêmes résultats. Lorsque de courtes impulsions de courant traversent les bactéries, des pores apparaissent dans leur coquille (membrane), à ​​travers lesquels des fragments d'ADN d'autres bactéries peuvent passer à l'intérieur, déclenchant l'un des mécanismes de l'évolution. Ainsi, l'énergie nécessaire à l'origine de la vie sur Terre et à son évolution pourrait bien être l'énergie électrostatique des décharges de foudre (Fig. 1).

  Comment l'électrostatique provoque la foudre

  Environ 2000 éclairs scintillent à différents points de la Terre à tout moment, environ 50 éclairs frappent la Terre chaque seconde, chaque kilomètre carré de la surface de la Terre est frappé par la foudre en moyenne six fois par an. Au 18ème siècle, Benjamin Franklin a prouvé que la foudre des nuages ​​​​orageux est une décharge électrique qui se transmet à la Terre négatif charge. Dans ce cas, chacune des décharges fournit à la Terre plusieurs dizaines de coulombs d'électricité, et l'amplitude du courant lors d'un coup de foudre est de 20 à 100 kiloampères. La photographie à grande vitesse a montré que la décharge de la foudre ne dure que des dixièmes de seconde et que chaque éclair se compose de plusieurs éclairs plus courts.

  Au début du XXe siècle, à l'aide d'instruments de mesure montés sur des sondes atmosphériques, on a mesuré le champ électrique de la Terre, dont l'intensité à la surface s'est avérée être d'environ 100 V/m, ce qui correspond au total charge de la planète d'environ 400 000 C. Les ions servent de porteurs de charge dans l'atmosphère terrestre, dont la concentration augmente avec l'altitude et atteint un maximum à 50 km d'altitude, où une couche électriquement conductrice, l'ionosphère, s'est formée sous l'action du rayonnement cosmique. Par conséquent, nous pouvons dire que le champ électrique de la Terre est le champ d'un condensateur sphérique avec une tension appliquée d'environ 400 kV. Sous l'influence de cette tension, un courant de 2–4 kA circule des couches supérieures vers les couches inférieures, dont la densité est de (1–2) 10–12 A/m 2 , et une énergie jusqu'à 1,5 GW est libérée . Et s'il n'y avait pas d'éclairs, ce champ électrique disparaîtrait ! Il s'avère que par beau temps, le condensateur électrique de la Terre est déchargé et qu'il est chargé pendant un orage.

  Un nuage d'orage est une énorme quantité de vapeur, dont une partie s'est condensée en minuscules gouttelettes ou en banquise. Le sommet d'un nuage orageux peut être à une hauteur de 6 à 7 km et le bas peut pendre au-dessus du sol à une hauteur de 0,5 à 1 km. Au-dessus de 3 à 4 km, les nuages ​​sont constitués de banquises de différentes tailles, car la température y est toujours inférieure à zéro. Ces banquises sont en mouvement constant causé par des courants ascendants d'air chaud s'élevant sous la surface chauffée de la terre. Les petites banquises sont plus légères que les grandes, et elles sont emportées par les courants d'air ascendants et entrent en collision avec les grandes tout le long du chemin. À chaque collision de ce type, une électrification se produit, dans laquelle de gros morceaux de glace sont chargés négativement et les petits sont chargés positivement. Au fil du temps, de petits morceaux de glace chargés positivement s'accumulent principalement dans la partie supérieure du nuage, et de gros morceaux chargés négativement - en bas (Fig. 2). En d'autres termes, le haut du nuage est chargé positivement, tandis que le bas est chargé négativement. Dans ce cas, des charges positives sont induites au sol directement sous le nuage orageux. Maintenant, tout est prêt pour la décharge de foudre, dans laquelle l'air se décompose et la charge négative du bas du nuage d'orage s'écoule vers la Terre.

  

  De manière caractéristique, avant un orage, l'intensité du champ électrique terrestre peut atteindre 100 kV/m, soit 1000 fois supérieure à sa valeur par beau temps. En conséquence, la charge positive de chaque cheveu sur la tête d'une personne se tenant sous un nuage d'orage augmente de la même quantité et, se repoussant l'une de l'autre, se tiennent debout (Fig. 3).

  

  Fulgurite - trace de foudre au sol

  Lors d'une décharge de foudre, une énergie de l'ordre de 10 9 -10 10 J est dégagée. La plupart de de cette énergie est dépensée pour le tonnerre, le chauffage de l'air, le flash lumineux et le rayonnement d'autres ondes électromagnétiques, et seule une petite partie est libérée au point où la foudre pénètre dans le sol. Mais même cette « petite » partie est suffisante pour provoquer un incendie, tuer une personne ou détruire un bâtiment. La foudre peut chauffer le canal qu'elle traverse jusqu'à 30 000°C, ce qui est bien supérieur au point de fusion du sable (1600-2000°C). Par conséquent, la foudre, tombant dans le sable, le fait fondre, et l'air chaud et la vapeur d'eau, en se dilatant, forment un tube à partir du sable fondu, qui se solidifie au bout d'un moment. C'est ainsi que naissent les fulgurites (flèches de tonnerre, doigts du diable) - des cylindres creux en sable fondu (Fig. 4). La plus longue des fulgurites excavées est entrée sous terre à plus de cinq mètres de profondeur.

  

  Comment l'électrostatique protège contre la foudre

  Heureusement, la plupart des coups de foudre se produisent entre les nuages ​​et ne menacent donc pas la santé humaine. Cependant, on pense que la foudre tue plus d'un millier de personnes dans le monde chaque année. Par au moins, aux États-Unis, où de telles statistiques sont conservées, environ un millier de personnes sont frappées chaque année par la foudre et plus d'une centaine en meurent. Les scientifiques ont longtemps essayé de protéger les gens de cette "punition de Dieu". Par exemple, l'inventeur du premier condensateur électrique (pot de Leyde), Peter van Muschenbrook, dans un article sur l'électricité écrit pour la célèbre Encyclopédie française, a défendu manières traditionnelles pour empêcher la foudre - sonner des cloches et tirer des canons, ce qui, selon lui, était assez efficace.

  En 1750, Franklin invente le paratonnerre (paratonnerre). Dans une tentative de protéger le bâtiment du Capitole de la capitale de l'État du Maryland d'un coup de foudre, il a attaché une épaisse tige de fer au bâtiment, s'élevant à plusieurs mètres au-dessus du dôme et reliée au sol. Le scientifique a refusé de breveter son invention, souhaitant qu'elle serve les gens le plus tôt possible. Le mécanisme d'action d'un paratonnerre est facile à expliquer si l'on se rappelle que l'intensité du champ électrique près de la surface d'un conducteur chargé augmente avec l'augmentation de la courbure de cette surface. Par conséquent, sous un nuage d'orage près de la pointe du paratonnerre, l'intensité du champ sera si élevée qu'elle provoquera une ionisation de l'air environnant et une décharge corona dans celui-ci. En conséquence, la probabilité que la foudre frappe le paratonnerre augmentera considérablement. Ainsi la connaissance de l'électrostatique permettait non seulement d'expliquer l'origine de la foudre, mais aussi de trouver un moyen de s'en protéger.

  La nouvelle du paratonnerre de Franklin s'est rapidement répandue dans toute l'Europe et il a été élu dans toutes les académies, y compris celle de Russie. Cependant, dans certains pays, la population dévote accueillit cette invention avec indignation. L'idée même qu'une personne puisse si facilement et simplement apprivoiser l'arme principale de la colère de Dieu semblait blasphématoire. Par conséquent, dans différents lieux les gens pour des raisons pieuses ont cassé des paratonnerres.

  Un curieux incident s'est produit en 1780 dans une petite ville du nord de la France, où les habitants ont exigé le retrait d'un mât de paratonnerre en fer et l'affaire a été jugée. Le jeune avocat qui a défendu le paratonnerre contre les attaques des obscurantistes a construit sa défense sur le fait que l'esprit humain et sa capacité à vaincre les forces de la nature sont d'origine divine. Tout ce qui aide à sauver une vie est pour le bien - a soutenu le jeune avocat. Il a remporté le processus et a acquis une grande renommée. Le nom de l'avocat était... Maximilian Robespierre.

  Eh bien, maintenant, le portrait de l'inventeur du paratonnerre est la reproduction la plus convoitée au monde, car il orne le célèbre billet de cent dollars.

  L'électrostatique qui redonne vie

  L'énergie d'une décharge de condensateur a non seulement conduit à l'émergence de la vie sur Terre, mais peut également redonner vie à des personnes dont les cellules cardiaques ont cessé de se contracter de manière synchrone. La contraction asynchrone (chaotique) des cellules cardiaques est appelée fibrillation. La fibrillation du cœur peut être arrêtée si une courte impulsion de courant traverse toutes ses cellules. Pour ce faire, deux électrodes sont appliquées sur la poitrine du patient, à travers lesquelles est passée une impulsion d'une durée d'environ dix millisecondes et d'une amplitude pouvant aller jusqu'à plusieurs dizaines d'ampères. Dans ce cas, l'énergie de décharge à travers poitrine peut atteindre 400 J (ce qui équivaut à l'énergie potentielle d'un poids de poud élevé à une hauteur de 2,5 m). Un appareil qui fournit un choc électrique qui arrête la fibrillation du cœur s'appelle un défibrillateur. Le défibrillateur le plus simple est un circuit oscillant composé d'un condensateur de 20 microfarads et d'une inductance de 0,4 H. En chargeant le condensateur à une tension de 1-6 kV et en le déchargeant à travers la bobine et le patient, dont la résistance est d'environ 50 ohms, il est possible d'obtenir l'impulsion de courant nécessaire pour ramener le patient à la vie.

  Électrostatique donnant de la lumière

  Une lampe fluorescente peut servir d'indicateur pratique de l'intensité du champ électrique. Pour vérifier cela, dans une pièce sombre, frottez la lampe avec une serviette ou un foulard - en conséquence, la surface extérieure du verre de la lampe sera chargée positivement et le tissu - négativement. Dès que cela se produit, nous verrons des éclairs de lumière apparaître aux endroits de la lampe que nous touchons avec un chiffon chargé. Des mesures ont montré que l'intensité du champ électrique à l'intérieur d'une lampe fluorescente en fonctionnement est d'environ 10 V/m. A cette intensité, les électrons libres ont l'énergie nécessaire pour ioniser les atomes de mercure à l'intérieur d'une lampe fluorescente.

  

  Le champ électrique sous les lignes électriques à haute tension - les lignes électriques - peut atteindre des valeurs très élevées. Par conséquent, si la nuit une lampe fluorescente est enfoncée dans le sol sous une ligne électrique, elle s'allumera et assez brillamment (Fig. 5). Ainsi, à l'aide de l'énergie du champ électrostatique, il est possible d'éclairer l'espace sous les lignes électriques.

  Comment l'électrostatique avertit d'un incendie et rend la fumée plus propre

  Dans la plupart des cas, lors du choix du type de détecteur d'alarme incendie, la préférence est donnée à un détecteur de fumée, car un incendie s'accompagne généralement d'un dégagement de fumée important et c'est ce type de détecteur qui est capable d'avertir les personnes en un bâtiment sur le danger. Les détecteurs de fumée utilisent le principe d'ionisation ou photoélectrique pour détecter la fumée dans l'air.

  Dans les détecteurs de fumée à ionisation, il existe une source de rayonnement α (généralement de l'américium-241), qui ionise l'air entre les plaques métalliques-électrodes, dont la résistance électrique est constamment mesurée à l'aide d'un circuit spécial. Les ions formés à la suite du rayonnement α assurent la conductivité entre les électrodes, et les microparticules de fumée qui y apparaissent se lient aux ions, neutralisent leur charge et augmentent ainsi la résistance entre les électrodes, à laquelle le circuit électrique réagit en donnant une alarme. Les capteurs basés sur ce principe font preuve d'une sensibilité très impressionnante, réagissant avant même que le tout premier signe de fumée ne soit détecté par un être vivant. Il convient de noter que la source de rayonnement utilisée dans le capteur ne présente aucun danger pour l'homme, puisque les rayons alpha ne peuvent même pas traverser une feuille de papier et sont complètement absorbés par une couche d'air de quelques centimètres d'épaisseur.

  La capacité des particules de poussière à s'électrifier est largement utilisée dans les dépoussiéreurs électrostatiques industriels. Un gaz contenant, par exemple, des particules de suie, montant, traverse une grille métallique chargée négativement, à la suite de quoi ces particules acquièrent une charge négative. En continuant à monter, les particules se retrouvent dans le champ électrique de plaques chargées positivement, vers lesquelles elles sont attirées, après quoi les particules tombent dans des conteneurs spéciaux, d'où elles sont périodiquement retirées.

  Bioélectrostatique

  L'une des causes de l'asthme est les déchets des acariens (Fig. 6) - des insectes d'environ 0,5 mm qui vivent dans notre maison. Des études ont montré que les crises d'asthme sont causées par l'une des protéines que ces insectes sécrètent. La structure de cette protéine ressemble à un fer à cheval, dont les deux extrémités sont chargées positivement. Les forces de répulsion électrostatiques entre les extrémités d'une telle protéine en fer à cheval rendent sa structure stable. Cependant, les propriétés d'une protéine peuvent être modifiées en neutralisant ses charges positives. Cela peut être fait en augmentant la concentration d'ions négatifs dans l'air à l'aide de n'importe quel ioniseur, tel qu'un lustre Chizhevsky (Fig. 7). Dans le même temps, la fréquence des crises d'asthme diminue également.

  

  L'électrostatique aide non seulement à neutraliser les protéines sécrétées par les insectes, mais aussi à les attraper eux-mêmes. Il a déjà été dit que les cheveux "se dressent sur la tête" lorsqu'ils sont chargés. On peut imaginer ce que vivent les insectes lorsqu'ils sont chargés électriquement. Les poils les plus fins de leurs pattes divergent dans des directions différentes et les insectes perdent leur capacité à se déplacer. C'est sur ce principe que repose le piège à cafards illustré à la figure 8. Les cafards sont attirés par la poudre sucrée préalablement chargée électrostatiquement. La poudre (sur la figure, elle est blanche) est recouverte d'une surface inclinée autour du piège. Une fois sur la poudre, les insectes se chargent et roulent dans le piège.

  

  Que sont les agents antistatiques ?

  Les vêtements, les tapis, les couvre-lits, etc. sont chargés après contact avec d'autres articles, et parfois uniquement avec des jets d'air. Dans la vie quotidienne et au travail, les charges qui en résultent sont souvent appelées électricité statique.

  

  Dans des conditions atmosphériques normales, les fibres naturelles (de coton, laine, soie et viscose) absorbent bien l'humidité (hydrophiles) et donc peu conductrices d'électricité. Lorsque ces fibres touchent ou frottent contre d'autres matériaux, leurs surfaces développent des charges électriques excessives, mais à des températures très basses. un bref délais, puisque les charges refluent immédiatement le long des fibres humides du tissu contenant divers ions.

  Contrairement aux fibres naturelles, les fibres synthétiques (polyester, acrylique, polypropylène) absorbent mal l'humidité (hydrophobes), et il y a moins d'ions mobiles à leur surface. Sur contact matériaux synthétiques les uns avec les autres, ils sont chargés de charges opposées, mais comme ces charges s'écoulent très lentement, les matériaux se collent les uns aux autres, créant des désagréments et de l'inconfort. Soit dit en passant, la structure des cheveux est très proche des fibres synthétiques et est également hydrophobe. Par conséquent, au contact, par exemple, d'un peigne, ils se chargent d'électricité et commencent à se repousser.

  Pour se débarrasser de l'électricité statique, la surface d'un vêtement ou d'un autre objet peut être lubrifiée avec une substance qui retient l'humidité et augmente ainsi la concentration d'ions mobiles à la surface. Après un tel traitement, le résultat charge électrique disparaissent rapidement de la surface de l'objet ou se répandent dessus. L'hydrophilie d'une surface peut être augmentée en la lubrifiant avec des tensioactifs dont les molécules sont similaires aux molécules de savon - une partie d'une très longue molécule est chargée, tandis que l'autre ne l'est pas. Les substances qui empêchent l'apparition d'électricité statique sont appelées agents antistatiques. L'antistatique est, par exemple, de la poussière de charbon ordinaire ou de la suie. Par conséquent, afin de se débarrasser de l'électricité statique, le soi-disant noir de lampe est inclus dans l'imprégnation des tapis et des tissus d'ameublement. Aux mêmes fins, jusqu'à 3% de fibres naturelles, et parfois de fins fils métalliques, sont ajoutés à ces matériaux.