कूलम्ब का नियम और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में इसका अनुप्रयोग

जिस तरह न्यूटोनियन यांत्रिकी में, गुरुत्वाकर्षण संबंधी संपर्क हमेशा द्रव्यमान वाले पिंडों के बीच होता है, उसी तरह इलेक्ट्रोडायनामिक्स के लिए, विद्युतीय संपर्क विद्युत आवेशों वाले पिंडों की विशेषता है। विद्युत आवेश को प्रतीक «q» या «Q» द्वारा निरूपित किया जाता है।

हम यह भी कह सकते हैं कि विद्युतगतिकी में वैद्युत आवेश q की अवधारणा कुछ हद तक यांत्रिकी में गुरुत्वीय द्रव्यमान m की अवधारणा के समान है। लेकिन गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान के विपरीत, विद्युत आवेश पिंडों और कणों की संपत्ति को विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं में प्रवेश करने की विशेषता देता है, और ये परस्पर क्रियाएँ, जैसा कि आप समझते हैं, गुरुत्वाकर्षण नहीं हैं।

विद्युत शुल्क

विद्युत घटनाओं के अध्ययन में मानव अनुभव में कई प्रयोगात्मक परिणाम शामिल हैं, और इन सभी तथ्यों ने भौतिकविदों को विद्युत आवेशों के बारे में निम्नलिखित असमान निष्कर्षों तक पहुँचने की अनुमति दी:

1. विद्युत आवेश दो प्रकार के होते हैं — सशर्त रूप से उन्हें धनात्मक और ऋणात्मक में विभाजित किया जा सकता है।

2.विद्युत आवेशों को एक आवेशित वस्तु से दूसरी वस्तु में स्थानांतरित किया जा सकता है: उदाहरण के लिए, निकायों को एक दूसरे से संपर्क करके - उनके बीच के आवेश को अलग किया जा सकता है। इस मामले में, विद्युत आवेश शरीर का एक अनिवार्य घटक नहीं है: विभिन्न परिस्थितियों में, एक ही वस्तु में भिन्न परिमाण और चिन्ह का आवेश हो सकता है, या इसमें कोई आवेश नहीं हो सकता है। इस प्रकार चार्ज वाहक में निहित कुछ नहीं है, और साथ ही वाहक के बिना चार्ज मौजूद नहीं हो सकता है।

3. जबकि गुरुत्वाकर्षण पिंड हमेशा एक दूसरे को आकर्षित करते हैं, विद्युत आवेश एक दूसरे को आकर्षित और एक दूसरे को पीछे हटा सकते हैं। जैसे आवेश परस्पर आकर्षित होते हैं, वैसे ही आवेश प्रतिकर्षित होते हैं।

चार्ज वाहक इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और अन्य प्राथमिक कण होते हैं। विद्युत आवेश दो प्रकार के होते हैं- धनात्मक और ऋणात्मक। धनात्मक आवेश वे होते हैं जो चमड़े से रगड़े गए कांच पर दिखाई देते हैं। नेगेटिव - फर-रगड़ एम्बर पर होने वाले चार्ज। अधिकारियों ने एक ही नाम के आरोपों को पीछे धकेल दिया। विपरीत आवेश वाली वस्तुएँ एक दूसरे को आकर्षित करती हैं।

विद्युत आवेश के संरक्षण का नियम प्रकृति का एक मूलभूत नियम है, यह इस प्रकार है: "एक पृथक प्रणाली में सभी पिंडों के आवेशों का बीजगणितीय योग स्थिर रहता है"। इसका मतलब है कि एक बंद प्रणाली में, केवल एक संकेत के लिए शुल्कों का प्रकट होना या गायब होना असंभव है।

एक पृथक प्रणाली में आवेशों का बीजगणितीय योग स्थिर रखा जाता है। आवेश वाहक एक पिंड से दूसरे पिंड में जा सकते हैं या किसी पिंड के अंदर, एक अणु, परमाणु में जा सकते हैं। चार्ज संदर्भ के फ्रेम से स्वतंत्र है।

आज, वैज्ञानिक दृष्टिकोण यह है कि मूल रूप से आवेश वाहक प्राथमिक कण थे।प्राथमिक कण न्यूट्रॉन (विद्युत रूप से तटस्थ), प्रोटॉन (धनात्मक आवेशित) और इलेक्ट्रॉन (ऋणात्मक रूप से आवेशित) परमाणु बनाते हैं।

परमाणुओं के नाभिक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से बने होते हैं, और इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के गोले बनाते हैं। एक इलेक्ट्रॉन और एक प्रोटॉन के आवेशों के परिमाण प्राथमिक आवेश e के परिमाण में बराबर होते हैं, लेकिन साइन इन कणों के आवेश एक दूसरे के विपरीत होते हैं।

विद्युत आवेशों की परस्पर क्रिया - कूलम्ब का नियम

जैसा कि एक दूसरे के साथ विद्युत आवेशों की सीधी बातचीत के लिए, 1785 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी चार्ल्स कूलम्ब ने प्रयोगात्मक रूप से इलेक्ट्रोस्टैटिक्स के इस मूल नियम की स्थापना की और प्रकृति के मूल नियम का वर्णन किया, जो किसी अन्य कानून का पालन नहीं करता है। अपने काम में, वैज्ञानिक स्थिर बिंदु-आवेशित पिंडों की परस्पर क्रिया का अध्ययन करता है और उनके पारस्परिक प्रतिकर्षण और आकर्षण की शक्तियों को मापता है।

कूलम्ब ने प्रयोगात्मक रूप से निम्नलिखित की स्थापना की: "स्थिर आवेशों की परस्पर क्रिया की शक्तियाँ मॉड्यूल के उत्पाद के सीधे आनुपातिक होती हैं और उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होती हैं।"

यह कूलम्ब के नियम का सूत्रीकरण है। और यद्यपि बिंदु आवेश प्रकृति में मौजूद नहीं हैं, केवल बिंदु आवेशों के संदर्भ में हम कूलम्ब के नियम के इस सूत्रीकरण के भीतर उनके बीच की दूरी के बारे में बात कर सकते हैं।

वास्तव में, यदि पिंडों के बीच की दूरी उनके आकार से काफी अधिक हो जाती है, तो न तो आकार और न ही आवेशित पिंडों का आकार विशेष रूप से उनकी बातचीत को प्रभावित करेगा, जिसका अर्थ है कि इस समस्या के लिए पिंडों को बिंदु-समान माना जा सकता है।

आइए एक उदाहरण देखें। आइए कुछ आवेशित गेंदों को डोरियों पर लटकाएँ।क्योंकि उन्हें किसी तरह से चार्ज किया जाता है, वे या तो पीछे हटेंगे या आकर्षित होंगे। चूंकि बल इन निकायों को जोड़ने वाली सीधी रेखा के साथ निर्देशित होते हैं, ये केंद्रीय बल हैं।

प्रत्येक आवेश पर कार्य करने वाले बलों को दूसरे से निरूपित करने के लिए, हम लिखेंगे: F12 पहले पर दूसरे आवेश का बल है, F21 दूसरे पर पहले आवेश का बल है, r12 दूसरे से त्रिज्या सदिश है पहले को पॉइंट चार्ज। यदि आवेशों का चिह्न समान है, तो बल F12 को संयुक्त रूप से त्रिज्या सदिश की ओर निर्देशित किया जाएगा, लेकिन यदि आवेशों के चिह्न भिन्न हैं, तो बल F12 को त्रिज्या सदिश के विरुद्ध निर्देशित किया जाएगा।

बिंदु आवेशों (कूलॉम्ब के नियम) के परस्पर क्रिया के नियम का उपयोग करते हुए, अब किसी भी बिंदु आवेश या बिंदु आवेश निकाय के लिए अन्योन्यक्रिया बल पाया जा सकता है। यदि शरीर बिंदु के आकार के नहीं हैं, तो वे मानसिक रूप से तत्वों के पेस्टल में टूट जाते हैं, जिनमें से प्रत्येक को बिंदु आवेश के रूप में लिया जा सकता है।

सभी छोटे तत्वों के बीच कार्यरत बलों को खोजने के बाद, ये बल ज्यामितीय रूप से जुड़ते हैं - वे परिणामी बल पाते हैं। प्राथमिक कण भी कूलम्ब के नियम के अनुसार एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, और आज तक इलेक्ट्रोस्टैटिक्स के इस मौलिक नियम का कोई उल्लंघन नहीं देखा गया है।

विद्युत अभियांत्रिकी में कूलम्ब के नियम का अनुप्रयोग

आधुनिक इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में ऐसा कोई क्षेत्र नहीं है जहाँ कूलम्ब का नियम एक या दूसरे रूप में संचालित नहीं होता है। एक विद्युत प्रवाह से शुरू होकर, एक साधारण चार्ज कैपेसिटर के साथ समाप्त होता है। विशेष रूप से वे क्षेत्र जो इलेक्ट्रोस्टैटिक्स से संबंधित हैं — वे कूलम्ब के नियम से 100% संबंधित हैं। आइए कुछ उदाहरण देखें।

सबसे सरल मामला एक ढांकता हुआ की शुरूआत है।निर्वात में आवेशों के परस्पर क्रिया का बल हमेशा उन्हीं आवेशों के परस्पर क्रिया के बल से अधिक होता है, जब उनके बीच किसी प्रकार का ढांकता हुआ रखा जाता है।

एक माध्यम का ढांकता हुआ स्थिरांक ठीक वह मान है जो आपको आवेशों और उनके परिमाण के बीच की दूरी की परवाह किए बिना मात्रात्मक रूप से बलों के मूल्यों को निर्धारित करने की अनुमति देता है। निर्वात में आवेशों के अंतःक्रियात्मक बल को पेश किए गए ढांकता हुआ के ढांकता हुआ स्थिरांक से विभाजित करने के लिए पर्याप्त है - हमें ढांकता हुआ की उपस्थिति में अंतःक्रियात्मक बल मिलता है।

परिष्कृत अनुसंधान उपकरण - एक कण त्वरक। आवेशित कण त्वरक का संचालन एक विद्युत क्षेत्र और आवेशित कणों के परस्पर क्रिया की घटना पर आधारित है। विद्युत क्षेत्र त्वरक में कार्य करता है, कण की ऊर्जा को बढ़ाता है।

यदि हम यहाँ त्वरित कण को ​​बिंदु आवेश के रूप में, और त्वरक के त्वरित विद्युत क्षेत्र की क्रिया को अन्य बिंदु आवेशों से कुल बल के रूप में मानते हैं, तो इस मामले में कूलम्ब का नियम पूरी तरह से देखा जाता है। चुंबकीय क्षेत्र कण को ​​​​केवल माध्यम से निर्देशित करता है लोरेंत्ज़ बल, लेकिन इसकी ऊर्जा को नहीं बदलता है, लेकिन केवल त्वरक में कणों की गति के लिए प्रक्षेपवक्र निर्धारित करता है।

सुरक्षात्मक विद्युत संरचनाएं। महत्वपूर्ण विद्युत प्रतिष्ठान हमेशा पहली नज़र में बिजली की छड़ के रूप में सरल होते हैं। और अपने काम में बिजली की छड़ भी कूलम्ब के नियम का पालन किए बिना नहीं गुजरती। झंझावात के दौरान, बड़े प्रेरित आवेश पृथ्वी पर दिखाई देते हैं - कूलम्ब के नियम के अनुसार, वे तड़ित झंझावात बादल की दिशा में आकर्षित होते हैं। परिणाम पृथ्वी की सतह पर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र है।

इस क्षेत्र की तीव्रता विशेष रूप से तीक्ष्ण चालकों के पास अधिक होती है, और इसलिए बिजली की छड़ के नुकीले सिरे पर एक कोरोनल डिस्चार्ज प्रज्वलित होता है - कूलम्ब के नियम का पालन करते हुए पृथ्वी का आवेश वज्र के विपरीत आवेश से आकर्षित होता है। बादल।

कोरोना डिस्चार्ज के परिणामस्वरूप बिजली की छड़ के पास की हवा अत्यधिक आयनित होती है। नतीजतन, टिप के पास विद्युत क्षेत्र की ताकत कम हो जाती है (साथ ही साथ किसी भी तार के अंदर), प्रेरित शुल्क इमारत पर जमा नहीं हो सकते हैं, और बिजली गिरने की संभावना कम हो जाती है। यदि तड़ित बिजली की छड़ से टकराती है, तो आवेश केवल पृथ्वी पर जाएगा और स्थापना को नुकसान नहीं पहुँचाएगा।