కూలంబ్ చట్టం మరియు ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీరింగ్లో దాని అప్లికేషన్
న్యూటోనియన్ మెకానిక్స్లో వలె, గురుత్వాకర్షణ పరస్పర చర్య ఎల్లప్పుడూ ద్రవ్యరాశితో కూడిన శరీరాల మధ్య సంభవిస్తుంది, అదే విధంగా ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్, ఎలక్ట్రికల్ ఇంటరాక్షన్ అనేది ఎలెక్ట్రిక్ ఛార్జీలు కలిగిన శరీరాల లక్షణం. విద్యుత్ ఛార్జ్ "q" లేదా "Q" చిహ్నంతో సూచించబడుతుంది.
ఎలక్ట్రోడైనమిక్స్లో ఎలక్ట్రిక్ చార్జ్ q భావన మెకానిక్స్లోని గురుత్వాకర్షణ ద్రవ్యరాశి m భావనకు కొంతవరకు సమానంగా ఉంటుందని కూడా మనం చెప్పగలం. కానీ గురుత్వాకర్షణ ద్రవ్యరాశిలా కాకుండా, విద్యుదయస్కాంత పరస్పర చర్యలలోకి ప్రవేశించడానికి శరీరాలు మరియు కణాల యొక్క ఆస్తిని ఎలెక్ట్రిక్ చార్జ్ వర్ణిస్తుంది మరియు ఈ పరస్పర చర్యలు, మీరు అర్థం చేసుకున్నట్లుగా, గురుత్వాకర్షణ కాదు.
విద్యుత్ ఛార్జీలు
విద్యుత్ దృగ్విషయం యొక్క అధ్యయనంలో మానవ అనుభవం అనేక ప్రయోగాత్మక ఫలితాలను కలిగి ఉంది మరియు ఈ వాస్తవాలన్నీ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు విద్యుత్ ఛార్జీల గురించి ఈ క్రింది నిస్సందేహమైన తీర్మానాలను చేరుకోవడానికి అనుమతించాయి:
1. విద్యుత్ ఛార్జీలు రెండు రకాలు - షరతులతో వాటిని సానుకూల మరియు ప్రతికూలంగా విభజించవచ్చు.
2.విద్యుత్ ఛార్జీలు ఒక ఛార్జ్ చేయబడిన వస్తువు నుండి మరొకదానికి బదిలీ చేయబడతాయి: ఉదాహరణకు, ఒకదానితో ఒకటి శరీరాలను సంప్రదించడం ద్వారా - వాటి మధ్య ఛార్జ్ వేరు చేయబడుతుంది. ఈ సందర్భంలో, విద్యుత్ ఛార్జ్ శరీరం యొక్క తప్పనిసరి భాగం కాదు: వివిధ పరిస్థితులలో, ఒకే వస్తువు వేర్వేరు పరిమాణం మరియు సంకేతం యొక్క ఛార్జ్ని కలిగి ఉండవచ్చు లేదా దానికి ఎటువంటి ఛార్జ్ ఉండకపోవచ్చు. అందువల్ల ఛార్జ్ క్యారియర్లో అంతర్లీనంగా ఉండదు మరియు అదే సమయంలో క్యారియర్ లేకుండా ఛార్జ్ ఉండదు.
3. గురుత్వాకర్షణ వస్తువులు ఎల్లప్పుడూ ఒకదానికొకటి ఆకర్షిస్తున్నాయి, విద్యుత్ ఛార్జీలు రెండూ ఒకదానికొకటి ఆకర్షించగలవు మరియు ఒకదానికొకటి తిప్పికొట్టగలవు. ఛార్జీలు పరస్పరం ఆకర్షిస్తాయి, ఛార్జీలు తిప్పికొట్టడం వంటివి.
ఛార్జ్ క్యారియర్లు ఎలక్ట్రాన్లు, ప్రోటాన్లు మరియు ఇతర ప్రాథమిక కణాలు. విద్యుత్ ఛార్జీలు రెండు రకాలు-పాజిటివ్ మరియు నెగటివ్. తోలుతో రుద్దిన గాజుపై కనిపించే వాటిని సానుకూల చార్జీలు అంటారు. ప్రతికూల - బొచ్చు రుద్దిన అంబర్పై సంభవించే ఛార్జీలు. అధికారులు అదే పేరుతో ఆరోపణలతో వెనక్కి నెట్టారు. వ్యతిరేక ఛార్జీలు కలిగిన వస్తువులు ఒకదానికొకటి ఆకర్షిస్తాయి.
విద్యుత్ ఛార్జ్ యొక్క పరిరక్షణ చట్టం అనేది ప్రకృతి యొక్క ప్రాథమిక చట్టం, ఇది ఇలా ఉంటుంది: "వివిక్త వ్యవస్థలోని అన్ని శరీరాల చార్జీల బీజగణిత మొత్తం స్థిరంగా ఉంటుంది." దీని అర్థం క్లోజ్డ్ సిస్టమ్లో, ఒకే ఒక సంకేతం కోసం ఛార్జీలు కనిపించడం లేదా అదృశ్యం చేయడం అసాధ్యం.
వివిక్త వ్యవస్థలో చార్జీల బీజగణిత మొత్తం స్థిరంగా ఉంచబడుతుంది. ఛార్జ్ క్యారియర్లు ఒక శరీరం నుండి మరొక శరీరానికి మారవచ్చు లేదా శరీరం లోపల, అణువులో, అణువులో కదలవచ్చు. ఛార్జ్ ఫ్రేమ్ ఆఫ్ రిఫరెన్స్ నుండి స్వతంత్రంగా ఉంటుంది.
నేడు, శాస్త్రీయ దృక్పథం ఏమిటంటే, వాస్తవానికి ఛార్జ్ క్యారియర్లు ప్రాథమిక కణాలు.ఎలిమెంటరీ పార్టికల్స్ న్యూట్రాన్లు (విద్యుత్ తటస్థ), ప్రోటాన్లు (పాజిటివ్ చార్జ్డ్) మరియు ఎలక్ట్రాన్లు (ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడినవి) అణువులను తయారు చేస్తాయి.
అణువుల కేంద్రకాలు ప్రోటాన్లు మరియు న్యూట్రాన్లతో రూపొందించబడ్డాయి మరియు ఎలక్ట్రాన్లు అణువుల షెల్లను ఏర్పరుస్తాయి. ఎలక్ట్రాన్ మరియు ప్రోటాన్ యొక్క చార్జ్ల మాడ్యులీలు ఎలిమెంటరీ చార్జ్ eకి సమానంగా ఉంటాయి, అయితే ఈ కణాల ఛార్జీలు ఒకదానికొకటి విరుద్ధంగా ఉంటాయి.
ఎలక్ట్రిక్ ఛార్జీల పరస్పర చర్య — కూలంబ్స్ లా
ఒకదానితో ఒకటి విద్యుత్ ఛార్జీల యొక్క ప్రత్యక్ష పరస్పర చర్య కొరకు, 1785లో ఫ్రెంచ్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త చార్లెస్ కూలంబ్ ప్రయోగాత్మకంగా ఈ ప్రాథమిక విద్యుదయస్కాంత సూత్రాన్ని స్థాపించి వివరించాడు, ఇది ప్రకృతి యొక్క ప్రాథమిక నియమం, ఇది ఏ ఇతర చట్టాల నుండి అనుసరించదు. తన పనిలో, శాస్త్రవేత్త స్థిరమైన పాయింట్-ఛార్జ్డ్ బాడీల పరస్పర చర్యను అధ్యయనం చేస్తాడు మరియు వాటి పరస్పర వికర్షణ మరియు ఆకర్షణ యొక్క శక్తులను కొలుస్తాడు.
కూలంబ్ ప్రయోగాత్మకంగా ఈ క్రింది వాటిని స్థాపించారు: "నిశ్చల ఛార్జీల పరస్పర చర్య యొక్క శక్తులు మాడ్యూల్స్ యొక్క ఉత్పత్తికి నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటాయి మరియు వాటి మధ్య దూరం యొక్క వర్గానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటాయి."
ఇది కూలంబ్ చట్టం యొక్క సూత్రీకరణ. మరియు పాయింట్ ఛార్జీలు ప్రకృతిలో లేనప్పటికీ, పాయింట్ ఛార్జీల పరంగా మాత్రమే మేము వాటి మధ్య దూరం గురించి మాట్లాడగలము, ఈ కూలంబ్ చట్టం యొక్క సూత్రీకరణలో.
వాస్తవానికి, శరీరాల మధ్య దూరాలు వాటి పరిమాణాలను గణనీయంగా మించి ఉంటే, అప్పుడు చార్జ్ చేయబడిన శరీరాల పరిమాణం లేదా ఆకారం వాటి పరస్పర చర్యను ప్రత్యేకంగా ప్రభావితం చేయవు, అంటే ఈ సమస్యకు సంబంధించిన శరీరాలు చాలా పాయింట్-లాగా పరిగణించబడతాయి.
ఒక ఉదాహరణ చూద్దాం. కొన్ని చార్జ్ చేయబడిన బంతులను తీగలపై వేలాడదీద్దాం.అవి ఏదో ఒక విధంగా ఛార్జ్ చేయబడినందున, అవి తిప్పికొడతాయి లేదా ఆకర్షిస్తాయి. ఈ శరీరాలను అనుసంధానించే సరళ రేఖ వెంట బలగాలు నిర్దేశించబడినందున, ఇవి కేంద్ర బలగాలు.
మరొకదాని నుండి ప్రతి ఛార్జ్పై పనిచేసే శక్తులను సూచించడానికి, మేము ఇలా వ్రాస్తాము: F12 అనేది మొదటిదానిపై రెండవ ఛార్జ్ యొక్క శక్తి, F21 అనేది రెండవదానిపై మొదటి ఛార్జ్ యొక్క శక్తి, r12 అనేది రెండవది నుండి వ్యాసార్థం వెక్టర్. మొదటిదానికి పాయింట్ ఛార్జ్. ఛార్జీలు ఒకే గుర్తును కలిగి ఉంటే, అప్పుడు శక్తి F12 వ్యాసార్థం వెక్టార్కు సంయుక్తంగా నిర్దేశించబడుతుంది, కానీ ఛార్జీలు వేర్వేరు సంకేతాలను కలిగి ఉంటే, అప్పుడు F12 శక్తి వ్యాసార్థ వెక్టార్కు వ్యతిరేకంగా నిర్దేశించబడుతుంది.
పాయింట్ ఛార్జీల పరస్పర చర్య యొక్క చట్టాన్ని (కూలంబ్స్ లా) ఉపయోగించి, ఇప్పుడు ఏదైనా పాయింట్ ఛార్జీలు లేదా పాయింట్ ఛార్జ్ బాడీల కోసం పరస్పర చర్యను కనుగొనవచ్చు. శరీరాలు పాయింట్ ఆకారంలో లేకుంటే, అవి మానసికంగా మూలకాల యొక్క పాస్టెల్లుగా విభజించబడతాయి, వీటిలో ప్రతి ఒక్కటి పాయింట్ ఛార్జ్గా తీసుకోవచ్చు.
అన్ని చిన్న మూలకాల మధ్య పనిచేసే శక్తులను కనుగొన్న తర్వాత, ఈ శక్తులు జ్యామితీయంగా జోడించబడతాయి - అవి ఫలిత శక్తిని కనుగొంటాయి. కూలంబ్ చట్టం ప్రకారం ప్రాథమిక కణాలు కూడా ఒకదానితో ఒకటి సంకర్షణ చెందుతాయి మరియు ఈ రోజు వరకు ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్స్ యొక్క ఈ ప్రాథమిక నియమం యొక్క ఉల్లంఘనలు గమనించబడలేదు.
ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీరింగ్లో కూలంబ్ చట్టం యొక్క దరఖాస్తు
ఆధునిక ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీరింగ్లో కూలంబ్ చట్టం ఒక రూపంలో లేదా మరొక రూపంలో పనిచేయని ప్రాంతం లేదు. విద్యుత్ ప్రవాహంతో ప్రారంభించి, కేవలం ఛార్జ్ చేయబడిన కెపాసిటర్తో ముగుస్తుంది. ముఖ్యంగా ఎలెక్ట్రోస్టాటిక్స్తో వ్యవహరించే ప్రాంతాలు — అవి 100% కూలంబ్ చట్టానికి సంబంధించినవి. కొన్ని ఉదాహరణలు మాత్రమే చూద్దాం.
సరళమైన కేసు విద్యుద్వాహకము యొక్క పరిచయం.వాక్యూమ్లోని ఛార్జీల పరస్పర చర్య యొక్క శక్తి, వాటి మధ్య కొన్ని రకాల విద్యుద్వాహకాలను ఉంచినప్పుడు పరిస్థితులలో అదే ఛార్జీల పరస్పర చర్య కంటే ఎల్లప్పుడూ ఎక్కువగా ఉంటుంది.
మాధ్యమం యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం అనేది ఛార్జీలు మరియు వాటి పరిమాణాల మధ్య దూరంతో సంబంధం లేకుండా శక్తుల విలువలను పరిమాణాత్మకంగా నిర్ణయించడానికి మిమ్మల్ని అనుమతించే విలువ. ప్రవేశపెట్టిన విద్యుద్వాహకము యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం ద్వారా వాక్యూమ్లో ఛార్జీల పరస్పర శక్తిని విభజించడం సరిపోతుంది - మేము విద్యుద్వాహకము సమక్షంలో పరస్పర శక్తిని పొందుతాము.
అధునాతన పరిశోధన పరికరాలు — ఒక కణ యాక్సిలరేటర్. చార్జ్డ్ పార్టికల్ యాక్సిలరేటర్ల ఆపరేషన్ ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ మరియు చార్జ్డ్ పార్టికల్స్ యొక్క పరస్పర చర్య యొక్క దృగ్విషయం మీద ఆధారపడి ఉంటుంది. విద్యుత్ క్షేత్రం యాక్సిలరేటర్లో పని చేస్తుంది, కణాల శక్తిని పెంచుతుంది.
మనం ఇక్కడ వేగవంతమైన కణాన్ని పాయింట్ ఛార్జ్గా మరియు యాక్సిలరేటర్ యొక్క వేగవంతమైన విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క చర్యను ఇతర పాయింట్ ఛార్జీల నుండి మొత్తం శక్తిగా పరిగణించినట్లయితే, ఈ సందర్భంలో కూలంబ్ నియమం పూర్తిగా గమనించబడుతుంది, అయస్కాంత క్షేత్రం కణాన్ని మాత్రమే నిర్దేశిస్తుంది. లోరెంజ్ శక్తి, కానీ దాని శక్తిని మార్చదు, కానీ యాక్సిలరేటర్లోని కణాల కదలిక కోసం పథాన్ని మాత్రమే సెట్ చేస్తుంది.
రక్షిత విద్యుత్ నిర్మాణాలు. ముఖ్యమైన ఎలక్ట్రికల్ ఇన్స్టాలేషన్లు ఎల్లప్పుడూ మెరుపు రాడ్ వలె మొదటి చూపులో సరళంగా ఉంటాయి. మరియు దాని పనిలో మెరుపు రాడ్ కూడా కూలంబ్ చట్టాన్ని పాటించకుండా పాస్ చేయదు. ఉరుము సమయంలో, భూమిపై పెద్ద ప్రేరేపిత ఛార్జీలు కనిపిస్తాయి - కూలంబ్ చట్టం ప్రకారం, అవి ఉరుములతో కూడిన మేఘం దిశలో ఆకర్షితులవుతాయి. ఫలితంగా భూమి ఉపరితలంపై బలమైన విద్యుత్ క్షేత్రం ఏర్పడుతుంది.
ఈ ఫీల్డ్ యొక్క తీవ్రత ముఖ్యంగా పదునైన కండక్టర్ల దగ్గర ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు అందువల్ల మెరుపు రాడ్ యొక్క కోణాల చివరలో కరోనల్ డిశ్చార్జ్ మండించబడుతుంది - భూమి నుండి వచ్చే ఛార్జ్ కూలంబ్ యొక్క నియమాన్ని పాటిస్తూ, పిడుగుపాటు యొక్క వ్యతిరేక ఛార్జ్ ద్వారా ఆకర్షించబడుతుంది. మేఘం.
కరోనా ఉత్సర్గ ఫలితంగా మెరుపు కడ్డీ దగ్గర ఉన్న గాలి ఎక్కువగా అయనీకరణం చెందుతుంది. ఫలితంగా, చిట్కా సమీపంలోని విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క బలం తగ్గుతుంది (అలాగే ఏదైనా వైర్ లోపల), ప్రేరేపిత ఛార్జీలు భవనంపై కూడబెట్టుకోలేవు మరియు మెరుపు సంభావ్యత తగ్గుతుంది. మెరుపు మెరుపు రాడ్ను తాకినట్లయితే, ఛార్జ్ కేవలం భూమికి వెళుతుంది మరియు ఇన్స్టాలేషన్ను పాడు చేయదు.