II.2. Legea lui Coulomb

🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori! Atenție când lucrezi cu mașina Van de Graaff! Pericol de electrocutare !

Sarcinile electrice pot fi generate cu mașina de electrizare Van de Graaff care are doi poli: o sferă metalică goală în interior numită colector de sarcină (care se încarcă pozitiv) și o sferă mai mică plină (care se încarcă negativ).

Colectorul se află pe o bandă de cauciuc trecută peste două role și pusă în mișcare de un motor electric. Două periuțe preiau sarcinile care apar pe banda electrizată prin frecare.

👀 Experiment: Legea lui Coulomb
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
🔥 Atenție! când lucrezi cu mașina Van de Graaff! Pericol de electrocutare !

Materiale necesare:
Generatorul electrostatic Van De Graaff, pendul electrostatic.

Descrierea experimentului:

• Pune în funcțiune generatorul și electrizează sferele lui.
• Electrizează prin contact cu colectorul generatorului (sfera mare a generatorului), bila unui pendul electrostatic.
• Apropie la o distanță mică (câțiva centimetri), fără să mai atingi pendulul de sfera generatorului.
• Observă devierea firului pendulului față de verticală.

  Pendulul este puternic respins de colector, având un unghi mare față de verticală.

• Repetă experimentul pentru o distanță mai mare dintre pendul și colector și apreciază unghiul dintre fir și verticală.
• Ce legătură observi între distanța dintre cele două corpuri electrizate și unghiul de deviere al firului?

  Cu cât crește distanța dintre cele două corpuri electrizate, unghiul de deviere al firului față de verticală scade.

În urma contactului dintre cele două corpuri, ele se încarcă cu sarcini de același fel și se resping. Unghiul de deviere față de verticală crește cu scăderea distanței dintre corpurile electrizate.
Forța de respingere electrostatică este invers proporțională cu distanța dintre corpurile electrizate.

• Repetă experimentul pentru distanța mică (câțiva centimetri), dintre pendul și colector, dar cu generatorul încărcat electric mai mult.
• Ce observi ?

  Unghiul de deviere față de verticală este mai mare cu cât corpurile sunt încărcate cu sarcini electrice mai mari.

Concluzia experimentului:
Unghiul de deviere față de verticală crește cu creșterea încărcării cu sarcină electrică a corpurilor electrizate.
Forța de respingerea electrostatică este direct proporțională cu mărimea sarcinilor corpurilor electrizate.

În anul 1785 fizicianul francez Charles Coulomb a descoperit experimental legea care îi poartă numele, Legea lui Coulomb.

Legea lui Coulomb:

“Două corpuri electrizate aflate într-un anumit mediu, considerate punctiforme în raport cu distanța dintre ele, interacționează cu o forță direct proporțională cu produsul modulelor sarcinilor electrice și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele (r²).

🔦 Observație

a) Pentru alte medii, constanta k are valori mai mici decât cea în vid/aer, ceea ce înseamnă o forță electrică mai mică.

b) Pentru vid,

🔓 Probleme rezolvate

1. Două corpuri punctiforme încărcate cu sarcinile q₁ = 2 nC, respectiv q₂ = 5 nC, se află la distanța de 40 cm în aer. Calculează forțele de interacțiune electrostatică.

Rezolvare:

Notăm datele problemei și transformăm în SI:
q₁ = 2 nC = 2 ∙ 10^-9 C
q₂ = 5 nC = 5 ∙ 10^-9 C
r = 40 cm = 0,4 m
F = ?

Desenăm forțele electrice, egale în modul dar de sens opus:

Scriem Legea lui Coulomb:

2. Două corpuri punctiforme, încărcate cu sarcinile q₁ = -4 pC, respectiv q₂ = 6 pC, se află la distanța de 300 mm în aer. Calculează și reprezintă forțele de interacțiune electrostatică.

Rezolvare:

Notăm datele problemei și transformăm în SI:
q₁ = -4 pC = -4 ∙ 10 ^-12 C
q₂ = 6 pC = 6 ∙ 10^-12 C
r = 300 mm = 0,3 m
F = ?

Desenăm forțele electrice de atracție, egale în modul, dar de sens opus:

Scriem Legea lui Coulomb:

3. Două corpuri punctiforme fixe sunt încărcate cu sarcinile q₁ = 2 nC, respectiv q₂ = 8 nC. Ele se află la distanța de 4 cm în aer.

a) Desenează forțele de interacțiune electrostatică.

b) Calculează forțele de interacțiune electrostatică.

c) La jumătatea distanței dintre cele două corpuri punctiforme fixe se introduce un al treilea corp punctiform mobil electrizat cu o sarcină electrică q₃ = -4 nC. Stabilește sensul mișcării sarcinii q₃ când este lăsată liberă.

Rezolvare:

Notăm datele problemei și transformăm în SI :
q₁ = 2 nC = 2 ∙ 10^-9 C
q₂ = 8 nC = 8 ∙ 10^-9 C
r₁ = 4 cm = 4/100 m
q₃ = -4 nC = -4 ∙ 10^-9 C
k = 9 ∙ 10⁹ N∙m² / C²
r₂ = 2 cm = 2/100 m

a) Desenăm forțele de interacțiune electrostatică:

b) Scriem Legea lui Coulomb și calculăm modulul forței F:

c) Desenăm forțele de interacțiune electrostatică:

Scriem Legea lui Coulomb și calculăm modulul forțelor F₁₃ și F₂₃:

Întrucât |F₂₃ | > |F₁₃ | => corpul electrizat cu sarcina q₃ se va deplasa spre q₂.