Эссе о законе Кулона

Эссе. Выполняется ли закон Кулона между людьми, другими биологическими объектами? Существуют ли объекты, для которых закон Кулона не выполняется?

Мир, окружающий нас, огромен. Радиус Вселенной порядка 1023 км, а классический радиус электронов примерно 2,8 · 10-13 см. Человек, изучая окружающую его действительность оперирует от размеров Вселенной до размеров элементарных частиц.

Мир, окружающий нас, далёк от равновесия. В нём постоянно происходят процессы от созидательных микропроцессов в живой клетке до космических взрывов звёзд, от вселенского хаоса до создания сложных упорядоченных структур, от рождения молекул и клеток до возникновения растений, и животных.

В мире, окружающем нас, казалось бы, царит беспорядок и хаос, однако, в нём всё взаимосвязано и взаимообусловлено, схвачено обратными связями и кооперативно согласовано. Между всеми объектами Вселенной, начиная от элементарной частицы и живой клетки до нейтронной звезды, и Галактики, постоянно происходит обмен энергией. Многие процессы на Земле теснейшим образом связаны с процессами, происходящими на Солнце и в космосе. По высказываниям А.Л. Чижевского: «Жизнь… в значительно большей степени есть явление космическое, чем земное. Она создана воздействием творческой динамики космоса на инертный материал Земли. Она живёт динамикой этих сил, и каждое биение исторического пульса согласно с

биением космического сердца – этой грандиозной совокупности туманностей, звёзд, Солнца и планет. За огромный промежуток времени воздействия космических сил на Землю утвердились определённые циклы явлений, правильно и периодически повторяющиеся как в пространстве, так и во времени. Начиная с круговорота атмосферы, углекислоты, океанов, суточной, годовой и многолетней периодичности и физико-химической жизни Земли и кончая сопутствующими этим процессам изменениями в органическом мире, мы всюду находим циклические процессы, являющиеся результатом воздействия космических сил…»

Наиболее сложное явление во Вселенной – рождение жизни, возникновение живых организмов и человека, который является совершенным живым разумным существом. Каждая клетка живого организма представляет собой элементарную физиологическую ячейку. Человек состоит примерно из клеток и является индивидуальной упорядоченной и самоорганизующейся системой. Любая клетка живого биологического объекта содержит хотя бы одну молекулярную нить ДНК, несущую генетическую информацию и обладающую способностью к самокопированию. Сегодня на нашей планете описаны и получили наименование 106 биологических видов. Неживая природа также разнообразна. Более ста химических элементов и тысячи известных изотопов образуют более 106 идентифицированных химических соединений, жидких и твёрдых растворов и сплавов, минералов, имеющих самые различные физические и химические свойства. Человек и мир, его окружающий, иначе среда обитания, являются сложной термодинамической системой, обладающей наличием обратных связей, стохастичностью (случайностью) и требующей для своего устойчивого развития необходимых и достаточных условий.

Рассмотрим подробнее закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона.

Ни одно из ранее сделанных научных открытий не оказало такого влияния на дальнейшее развитие естествознания, как открытие закона всемирного тяготения. Закон гласит: все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними. Показатель степени расстояния в знаменателе точно равен двум, это соответствует свойствам трехмерного евклидова пространства. Сила F, с которой две материальные точки притягивают друг друга, направлена вдоль прямой, проходящей через эти точки.

Закон получил огромный масштаб обобщения, впервые достигнутый естествознанием. Как показал Ньютон, этот закон описывает не только движение тел на Земле, он справедлив и для объяснения движения тел в космосе. Закон тяготения Ньютона стал всемирным, он вскрыл важные свойства Вселенной.

Аналогичным законом является закон Кулона.

Заряды и электричество – это термины, обязательные для тех случаев, когда наблюдается взаимодействие заряженных тел. Силы отталкивания и притяжения словно исходят от заряженных тел и распространяются одновременно во всех направлениях, постепенно затухая на расстоянии. Эту силу в свое время открыл известный французский естествоиспытатель Шарль Кулон, и правило, которому подчиняются заряженные тела, с тех пор называется Закон Кулона.

Силы притяжения и отталкивания, с которыми электрические заряды действуют друг на друга, направлены вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. С увеличением расстояния эта сила ослабевает. Спустя столетие после того, как Исаак Ньютон открыл свой всемирный закон тяготения, французский ученый Ш. Кулон исследовал экспериментальным путем принципа взаимодействия между заряженными телами и доказал, что природа такой силы аналогична силам тяготения. Более того, как оказалось, взаимодействующие тела в электрическом поле ведут себя так же, как и любые тела, обладающие массой, в гравитационном поле.

Прибор Кулона Схема прибора, при помощи которого Шарль Кулон делал свои измерения, приведена на рисунке: Как можно видеть, по существу эта конструкция не отличается от того прибора, которым в свое время Кавендиш измерял величину гравитационной постоянной. Изолирующий стержень, подвешенный на тонкой нити, заканчивается металлическим шариком, которому сообщен определенный электрический заряд. К шарику приближают другой металлический шарик, а затем, по мере сближения, измеряют силу взаимодействия по степени закручивания нити.

Кулон предположил, что к силе, с которой закручивается нить, можно применить уже известный тогда Закон Гука. Ученый сравнил изменение силы при различной дистанции одного шарика от другого и установил, что сила взаимодействия изменяет свое значение обратно пропорционально квадрату дистанции между шариками. Кулон сумел изменять значения заряженного шарика от q до q/2, q/4, q/8 и так далее. При каждом изменении заряда сила взаимодействия пропорционально меняла свое значение. Так, постепенно, было сформулировано правило, которое впоследствии было названо «Закон Кулона.

Экспериментальным путем французский ученый доказал, что силы, с которыми взаимодействуют два заряженных тела, пропорциональны произведению их зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между зарядами. Это утверждение и представляет собой закон Кулона. В математическом виде он может быть выражен так: В этом выражении: q- количество заряда; d - расстояние между заряженными телами; k- электрическая постоянная. Значение электрической постоянной во многом зависит от выбора единицы измерения. В современной системе величина электрического заряда измеряется в кулонах, а электрическая постоянная, соответственно, в ньютон×м2/ кулон2. Последние измерения показали, что данный коэффициент должен учитывать диэлектрическую проницаемость среды, в которой проводится опыт. Сейчас величину показывают в виде соотношения k=k1/e, где к1 является уже знакомой нам электрической константой, а не является показателем диэлектрической проницаемости. В условиях вакуума эта величина равна единице

Выводы из закона Кулона: Ученый экспериментировал с различной величиной зарядов, проверяя взаимодействие между телами с различной величиной заряда. Разумеется, измерить электрический заряд в каких-либо единицах он не мог – не хватало ни знаний, ни соответствующих приборов. Шарль Кулон смог разделять снаряд, прикасаясь к заряженному шарику незаряженным. Так он получал дробные значения исходного заряда. Ряд опытов показал, что электрический заряд сохраняется, происходит обмен без увеличения или уменьшения количества заряда. Этот фундаментальный принцип лег в основу закона сохранения электрического заряда. В настоящее время доказано, что этот закон соблюдается и в микромире элементарных частиц, и в макромире звезд и галактик.

Условия, необходимые для выполнения закона Кулона. Для того чтобы закон выполнятся с большей точностью, необходимо выполнение следующих условий: Заряды должны быть точечными. Другими словами, дистанция между наблюдаемыми заряженными телами должна быть намного больше их размеров. Если заряженные тела имеют сферическую форму, то можно считать, что весь заряд находится в точке, которая является центром сферы. Измеряемые тела должна быть неподвижными. Иначе на движущийся заряд будут влиять многочисленные сторонние факторы, например, сила Лоренца, которая придает заряженному телу дополнительное ускорение. А также магнитное поле движущегося заряженного тела. Наблюдаемые тела должны находиться в вакууме, чтобы избежать воздействия потоков воздушных масс на результаты наблюдений.

С точки зрения квантовой электродинамики взаимодействие заряженных тел происходит посредством обмена виртуальными фотонами. Существование таких ненаблюдаемых частиц и нулевой массы, но не нулевого заряда косвенно подтверждается принципом неопределенности. Согласно этому принципу, виртуальный фотон может существовать между мгновениями испускания такой частицы и ее поглощения. Чем меньше расстояние между телами, тем меньше времени затрачивает фотон на прохождение пути, следовательно, тем больше энергия испускаемых фотонов. При небольшой дистанции между наблюдаемыми зарядами принцип неопределенности допускает обмен и коротковолновыми и длинноволновыми частицами, а при больших расстояниях коротковолновые фотоны в обмене не участвуют.

Закон Кулона полностью объясняет поведение двух точечных зарядов в вакууме. Но когда речь идет о реальных телах, следует принимать во внимание объемные размеры заряженных тел и характеристики среды, в которой ведется наблюдение. Например, некоторые исследователи наблюдали, что тело, несущее в себе небольшой заряд и принудительно внесенное в электрическое поле другого объекта с большим зарядом, начинает притягиваться к этому заряду. В этом случае утверждение, что одноименно заряженные тела отталкиваются, дает сбой, и следует искать другое объяснение наблюдаемому явлению. Скорее всего, здесь не идет речь о нарушении закона Кулона или принципа сохранения электрического заряда – возможно, что мы наблюдаем неизученные до конца явления, объяснить которые наука сможет немного позже.

Я считаю, что этот закон применим и биологическим видам:

Согласно законам физики, механизм любого эволюционного процесса в системе – взаимодействие между составляющими этой системы. Сами взаимодействия носят весьма разнообразный характер. Это не только обычное притяжение или отталкивание, о котором говорится в курсах физики, хотя любой процесс в живом организме, – будто движение, химический процесс преобразования вещества в организме, или просто передача элементов питания внутри организма – это цепь иногда сложнейших комбинаций фундаментальных взаимодействий между элементами живой материи. Взаимодействия неизбежны и в социумах. Прежде всего, это взаимодействия между людьми (группами). Но именно из-за комплексности взаимодействий, причинно-следственные связи не всегда очевидны. Так, даже в социуме у каждого «начальника» есть власть, чтобы заставить подчинённого выполнить то или иное задание. Но и у любого подчиненного всегда есть возможность воздействия на руководителя (реакция). Кроме того, циркуляция информации между руководителем и подчиненным также представляет обмен (взаимодействие). У подчиненного (исполнительного элемента) также есть доля власти. Совокупность подчиненных может оказать управляющему весьма ощутимое противодействие, особенно если цели исполнителей и управляющих различаются. 
    Различие интересов элементов системы является источником противоречий. Как правило, развитие никогда не происходит при полном равенстве действия и противодействия (третий закон Ньютона не выполняется). Но именно «асимметрия» действия и противодействия, и определяемая этой асимметрией нелинейность приводит к неоднозначности направления этого развития. Нелинейность в сочетании с противодействием (диссипацией) приводит при определенных условиях к возникновению бифуркаций. Большие бифуркации (в том числе, в социуме) иногда называют революциями. Но сложные системы, способные выбирать поведение в зависимости от своих целей, могут и не препятствовать серьезно внешнему воздействию, если воздействие не противоречит целям системы. Поэтому не всякое воздействие со стороны управляющей надсистемы будет приниматься исполнителями с антагонизмом, что облегчает целеустремленное управление. Вместе с тем, всё разнообразие взаимодействий, каким бы сложным оно не было, в конце концов, сводится к комбинации фундаментальных взаимодействий, а управление любой системой – это асимметричное взаимодействие в нелинейной системе, когда действие не равно противодействию. 

1