Yasa ilk olarak 1785'te Fransız fizikçi Charles-Augustin de Coulomb tarafından keşfedildiği için adı Coulomb Yasası’dır. Elektrik yükünün miktarını anlamlı bir şekilde tartışmayı mümkün kılar. Bu nedenle elektromanyetizma teorisinin gelişimi için gereklidir. Yasa, iki nokta yük arasındaki elektrostatik çekim veya itme kuvvetinin büyüklüğünün, yüklerin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu belirtir.
Coulomb Yasası Kim Tarafından Yayınlanmıştır?
Coulomb Yasası, Charles-Augustin de Coulomb tarafından yayınlanmıştır.18. yüzyılda İsviçreli matematikçi ve fizikçi Daniel Bernoulli ve İtalyan fizikçi Alessandro Volta, paralel plakalı kapasitörler kullanarak çekim ve itmeyi, Newton'un 1686 tarihli yerçekimi yasasına benzer, ters kare ilişkisi olan bir şeyden yola çıkarak ölçmüşlerdir. Ardından İngiliz Joseph Priestley, yükler arasındaki kuvveti 1767'de bir ters kare yasasını izleyerek tahmin etmiştir. İskoç fizikçi John Robison ise, 1769'da yüklü küreler arasındaki kuvveti 1/(r)2.06’ya göre değişen olarak ölçmüştür. Daha sonra İngiliz kimyager Henry Cavendish, yük ve mesafeye bağlı olarak araştırmış ancak yayınlamamıştır. Son olarak Fransız fizikçi Charles-Augustin de Coulomb 1785'te elektrik ve manyetizma üzerine kendi yasasını, Coulomb Yasası’nı içeren üç makale yayınlamıştır.
Coulomb Yasası Formülü Nedir?
İki sabit, elektrik yüklü parçacık arasındaki kuvvet miktarını ölçen Coulomb Yasası’nın formülü aşağıdaki gibidir:
F= ke |q1q2| / r2
F= 1/4𝜋𝜀0|q1q2| / r2
𝐹: Newton (N) olarak elektriksel itme ya da çekme kuvvetinin büyüklük
𝑞𝑖: Elektrik yükü SI birim sisteminde Coulomb (C)
𝑟: Noktasal iki yük arasındaki mesafe
𝑘e: 1/4𝜋𝜀0 = 9 × 109 𝑁𝑚2𝐶−2 elektrostatik sabit
𝜀0: 8.85 × 10−12 𝐶 2𝑁−1𝑚−2 elektrik geçirgenlik sabiti
Coulomb Yasası Birimi Nedir?
Coulomb Yasası’nın birimi 𝑁𝑚2𝐶2‘dir. Burada N simgesi Newton, m simgesi metre ve C simgesi ise Coulomb’dur.
Coulomb Sabiti Nedir?
Coulomb sabiti, elektrikle ilgili diğer formüllerde olduğu gibi Coulomb Yasası’nda da görülen bir orantı faktörüdür. Aynı zamanda elektrik kuvveti sabiti veya elektrostatik sabit olarak da adlandırılır. Dolayısıyla "e" alt simgesidir (ke). Elektromanyetik teori, Uluslararası Birimler Sistemi’nde ifade edildiğinde, kuvvet Newton cinsinden, yük Coulomb cinsinden ve mesafe metre cinsinden ölçülür. Coulomb sabiti "k" ile verilir.
Coulomb Sabiti Nasıl Bulunur?
Coulomb sabiti klasik olarak dört temel Planck'tan türetilebilir. Bunlar Planck kütlesi, Planck uzunluğu, Planck zamanı ve Planck yüküdür. Dalga sabiti biçiminde, Kuvvetler belgesinde türetilen karmaşık bir orantı sabitidir. Geri kalan değişkenlerin dalga genliği ve mesafesi olduğu bir dalga denklemindeki sabitlerin birleşimidir.
Coulomb Sabiti Birimi Nedir?
Coulomb Sabiti’nin birimi Nm2/C2’dir. “k” ile gösterilir. Elektrik kuvveti sabiti veya elektrostatik sabiti olarak da adlandırılabilen Coulomb Sabiti, elektrostatik denklemlerde bir orantı sabitidir.
Coulomb Yasasının Geçerli Olması İçin Koşullar Nelerdir?
Coulomb Yasası’nın geçerli olması için iki koşul bulunmaktadır. Bu koşullar elektrostatik yaklaşım olarak bilinir. Hareket yer aldığı zaman, iki yükün oluşturduğu kuvveti manyetik alan değiştirir. Coulomb Yasası’nın geçerli olması için gereken koşullar aşağıdaki gibidir:
- Yüklerin hareketsiz kalması
- Çok yavaş hareket etmeleri
Coulomb Yasasının Skaler Formu
Coulomb yasası skaler formu “basit bir matematiksel ifade” olarak tanımlanabilir. Skaler biçim, q1 ve q2 iki nokta yükü arasındaki elektrostatik kuvvet F vektörünün büyüklüğünü verir, ancak yönünü vermez. “r” yükler arasındaki mesafe ise, kuvvetin büyüklüğü aşağıdaki gibidir:
|F|= ke |q1q2| / r2
ke sabitine Coulomb sabiti denir ve şuna eşittir → 1/4πε0
Burada ε0 elektrik sabitidir → ke = 8.988×109 N⋅m2⋅C−2.
q1q2 çarpımı pozitifse, iki yük arasındaki kuvvet iticidir. Çarpım negatifse, aralarındaki kuvvet çekicidir.
Coulomb Yasasının Vektörel Formu
Coulomb Yasası’nın vektörel formu, yasanın basitçe birim vektör tarafından verilen yön ile skaler tanımıdır. r12, q2 yükünden q1 yüküne doğru paralel ise, eğer her iki yük de aynı işarete sahipse, o zaman q1q2 çarpımı pozitiftir ve q1 üzerindeki kuvvetin değeri r12 ile verilir, yükler birbirini iter. Yükler zıt işaretlere sahipse, q1q2 çarpımı negatiftir ve q1 üzerindeki kuvvetin yönü -r12'dir ve yükler birbirini çeker.
Vektör biçimindeki Coulomb Yasası, bir q1 yükü tarafından deneyimlenen elektrostatik F kuvvetinin, bir boşlukta r1 konumunda, başka bir q2 yükünün yakınında r2 konumunda görüntülenme biçiminin eşit olduğunu belirtir. Formülü aşağıdaki gibidir:
F1= (q1q2/4𝜋𝜀0) (r1-r2/|r1-r2|3) = (q1q2/4𝜋𝜀0) (r12 / |r12|2)
Coulomb Yasasında Ayrık Yükler Sistemi Nedir?
- Ayrık Yükler Sistemi, Coulomb Yasası’nın herhangi bir sayıda nokta yükünü içerecek şekilde genişletilmesine izin verir.
- Bir nokta yükler sistemi nedeniyle bir nokta yüke etki eden kuvvet, yüklerin her biri nedeniyle tek başına o nokta yüke etki eden bireysel kuvvetlerin vektör toplamıdır.
- Ortaya çıkan kuvvet vektörü, o noktadaki elektrik alan vektörüne paraleldir ve bu nokta yükü kaldırılmıştır.
N ayrık yüklerden oluşan bir sistemde, r konumunda küçük bir q yükü üzerindeki F kuvveti aşağıdaki gibidir:
Coulomb Yasasında Sürekli Yük Dağılımı Nedir?
Coulomb Yasası Sürekli Yük Dağılımı aşağıdaki gibidir:
- Coulomb Yasası Sürekli Yük Dağılımı durumunda ayrık yükler sistemi de kullanılır.
- Sürekli bir yük dağılımı için, yükü içeren bölge üzerindeki bir integral, uzayın her sonsuz küçük öğesini bir nokta yük “dq” olarak ele alarak sonsuz bir toplama eşdeğerdir.
- Yük dağılımı genellikle doğrusal, yüzeysel veya hacimseldir.
- λr'nin, r' konumunda birim uzunluk başına verdiği yük ve dℓ'nin sonsuz küçük bir uzunluk elemanı olduğu doğrusal bir yük dağılımı aşağıdaki gibidir:
dq’= λ(r’) dℓ’
- σ(r')'nin, r' konumunda birim alan başına verdiği yük ve dA'nın sonsuz küçük bir alan öğesi olduğu bir yüzey yük dağılımı (paralel plakalı bir kapasitördeki bir plaka üzerindeki yük için iyi bir yaklaşım) aşağıdaki gibidir:
dq’= σ(r’) dA’
- Hacimsel yük dağılımı için ρ(r’), birim hacim başına yükü verir. r’ ve dV' bu hacmin sonsuz ve küçük bir öğesidir.
dq’= ρ(r’) dV'
- Küçük bir yük üzerindeki kuvvet, q pozisyonu ve r boşluğundayken yük dağılımını veren integral aşağıdaki gibidir:
F(r) = q/ 4𝜋𝜀0 ∫ dq’ (r-r’) / |r-r’|3
Coulomb Yasası Deneyi Nedir?
Coulomb Yasası deneyi aşağıdaki gibidir. Bu deneyle Coulomb Yasası basit bir şekilde doğrulanmış olur.
Kütlesi m olan ve kütlesi l olan iki ipten sarkan, aynı işaretli q yüküne sahip iki küçük küre olduğu varsayılır. Her küreye etki eden kuvvetler üç tanedir. Bunlar ağırlık (mg), ip gerilimi (T) ve elektrik kuvveti (F)’dir. Denge durumunda iken aşağıdaki gibidir:
1) Tsinθ1= F1
2) Tcosθ1= mg
1 numaralı denklem, 2 numaralı denkleme bölünür: sinθ1/cosθ1 =F1/mg = mgtan θ1
L1, yüklü küreler arasındaki mesafe olsun; aralarındaki itme kuvveti F1, Coulomb yasasının doğru olduğunu varsayarsak şuna eşittir:
3) F1= q2/ 4𝜋𝜀0 L12 = mgtan θ1
Şimdi kürelerden birini boşaltır ve onu yüklü küreye temas ettirirsek, her biri bir q/2 yükü alır. Denge durumunda yükler arasındaki mesafe L2<L1 olacaktır ve aralarındaki itme kuvveti şu şekilde olacaktır:
F2= (q/2)2/ 4𝜋𝜀0 L22 = (q2/4) / 4𝜋𝜀0 L22
F2= mgtanθ2 olduğuna göre,
4) (q2/4) / 4𝜋𝜀0 L22 = mgtanθ2 eşitliği elde edilir.
3 numaralı denklem, 4 numaralı denkleme bölünür:
(q2/ 4𝜋𝜀0 L12 ) / ((q2/4) / 4𝜋𝜀0 L22) = mgtanθ1 / mgtanθ2 à 4(L2/L1)2 = tan θ1 /tan θ2
θ1 ve θ2 açılarını ve L1 ve L2 yükleri arasındaki mesafeyi ölçmek, deneysel hatayı hesaba katarak eşitliğin doğru olduğunu doğrulamak için yeterlidir. Pratikte, açıları ölçmek zor olabilir, bu nedenle halatların uzunluğu yeterince büyükse, açılar aşağıdaki yaklaşımı yapmak için yeterince küçük olacaktır:
5) tanθ ≈ sinθ = (L/2) / ℓ = L/2ℓ = tan θ1 /tan θ2 ≈ (L1/2ℓ) / (L2/2ℓ)
5 numaralı denklemi de kullanarak daha da basitleştirilir:
(L1/2ℓ) / (L2/2ℓ) ≈ 4(L2/L1)2 → L1/L2 ≈ 4(L2/L1)2 → L1/L2 ≈ ∛4
Coulomb Yasasında Elektrostatik Yaklaşım Nedir?
Coulomb Yasası’nda elektrostatik yaklaşım, klasik elektrodinamik ile açıklanamayan etkilerle kanıtlanır. Kuantum elektrodinamiğini (QED) ortaya koymanın bir yolu, iki yüklü parçacığın foton değiş tokuşu yaparak birbirleriyle iletişim kurması, birbirlerine yakınlaşıp uzaklaşmayacaklarını ve ne kadar uzaklaşacaklarını söylemeleridir. Coulomb Yasası iki nokta yük arasındaki elektrostatik çekim veya itme kuvvetinin büyüklüğünü ele alır.
Coulomb Yasasında Atomik Kuvvet Nedir?
Coulomb Yasası’nda atomik kuvvet, pozitif yüklü atom çekirdeği ile negatif yüklü elektronların her biri arasındaki kuvveti doğru bir şekilde tanımlayan atomlar ile ilgilidir. Coulomb Yasası aynı zamanda, atomları molekülleri oluşturmak üzere birbirine bağlayan kuvvetleri ve atomları, molekülleri, katı ve sıvıları oluşturmak üzere birbirine bağlayan kuvvetleri de doğru bir şekilde açıklar. Genel olarak, iyonlar arasındaki mesafe arttıkça, çekim kuvveti ve bağlanma enerjisi sıfıra yaklaşır ve iyonik bağ daha az elverişlidir. Karşıt yüklerin büyüklüğü arttıkça enerji artar ve iyonik bağ daha uygun olur.
Coulomb Yasası İçin Burulma Terazisi Nedir?
Coulomb'un Burulma Terazisi, her biri 32 cm çapında ve yüksekliğe sahip daha büyük bir silindirin üzerine oturan bir cam plaka üzerine yerleştirilmiş bir burulma mikrometreli, 65 cm uzunluğunda iki cam silindire dayalı bir kurulumdur. Daha büyük silindirin dışına açısal bir ölçek sabitlenmiştir. Burulma mikrometresine, alt ucunda 0,2 cm çapında bir bakır veya demir çubuk tutan, 0,04 mm çapında 76 cm uzunluğunda metalik bir tel klemplenmiştir. Çubuğun kendisi, bir ucunda bir kâğıt diski ve diğer ucunda bir eski öz top tutan sızdırmazlık mumu kaplı ipek filament için bir montaj aşamasıdır.
Bakır çubuğun ağırlığı, metal teli bozmadan sıkmak için kullanılır. Kenarına doğru cam levhada, ucunda mürver özü topu olan başka bir çubuğun hazneye tutulduğu bir delik vardır. İkinci öz top, birinci öz topun dinlenme durumundaki konumuna yerleştirilir.
Coulomb, Burulma Terazisini ucuna kuvvet uygulandığında dönen (açı yapan) bir araca, ne kadar kuvvet uygulandığını açı miktarını kıyaslayarak bulabilmek için kullanmıştır.
Coulomb Yasası Elektrik Bilimi İçin Ne Anlama Gelir?
Coulomb Yasası’nın elektrik biliminde önemli bir yeri vardır. Tarihte insanlar, belirli nesnelerin birbirini çekebileceğini veya itebileceğini fark etmişlerdir. O zamanlar, elektriğin ve manyetizmanın doğası anlaşılmamıştır, bu nedenle manyetik çekim/itme ile kehribar çubuk ve kürk arasındaki çekimin arkasındaki temel ilkenin aynı olduğu düşünülmüştür. Charles- Augustin de Coulomb, iki sabit elektrik yüklü parçacık arasındaki kuvvet miktarını ölçen Coulomb Yasası’nı yayınlayarak elektrik bilimi için önemli bir gelişmeyi meydana getirmiştir. Çağada Kırım, Coulomb Yasası'nın elektrik bilimi için önemini şu şekilde belirtmektedir: "Coulomb Yasası sayesinde elektrik yüklü cisimlerin arasındaki elektrik kuvvetini bilebiliyoruz. Elektrik bilimi için bu, bir devrim niteliği taşımaktadır."