Физика (10 класс)/Электростатика

Закон Кулона

В 1785 г. французский физик Шарль Кулон экспериментально установил основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц.Точечные заряды- заряженные тела, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов – закон Кулона – основной (фундаментальный) физический закон и может быть установлен только опытным путем. Ни из каких других законов природы он не вытекает. Если обозначить модули зарядов через |q₁| и |q₂|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:

$~F=k{\frac {|q_{1}||q_{2}|}{r^{2}}}$ , (1)

где k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбора единиц электрического заряда. В системе СИ $~k={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}=9\cdot 10^{9}$ Н·м²/Кл², где ε₀ – электрическая постоянная, равная 8,85·10^-12 Кл²/Н·м² .

Формулировка закона сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эту силу называют кулоновской. Закон Кулона в данной формулировке справедлив только для точечных заряженных тел, т.к. только для них понятие расстояния между зарядами имеет определенный смысл. Точечных заряженных тел в природе нет. Но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно, как показывает опыт, не влияют на взаимодействие между ними. В этом случае тела можно рассматривать как точечные.

Легко обнаружить, что два заряженных шарика, подвешенные на нитях, либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Отсюда следует, что силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Подобные силы называют центральными. Если через ${\vec {F}}_{1,2}$ обозначить силу действующую на первый заряд со стороны второго, а через $~{\vec {F}}_{2,1}$ – силу, действующую на второй заряд со стороны первого (рис. 1), то, согласно третьему закону Ньютона, $~{\vec {F}}_{1,2}=-{\vec {F}}_{2,1}$ . Обозначим через ${\vec {r}}_{1,2}$ радиус-вектор, проведенный от второго заряда к первому (рис. 2), тогда

$~{\vec {F}}_{1,2}=k{\frac {q_{1}q_{2}}{r_{1,2}^{3}}}{\vec {r}}_{1,2}$ . (2)

• 
  Рис. 1
• 
  Рис. 2

Если знаки зарядов q₁ и q₂ одинаковы, то направление силы $~{\vec {F}}_{1,2}$ совпадает с направлением вектора $~{\vec {r}}_{1,2}$ ; в противном случае векторы $~{\vec {F}}_{1,2}$ и $~{\vec {r}}_{1,2}$ направлены в противоположные стороны.

Зная закон взаимодействия точечных заряженных тел, можно вычислить силу взаимодействия любых заряженных тел. Для этого тела нужно мысленно разбить на такие малые элементы, чтобы каждый из них можно было считать точечным. Складывая геометрически силы взаимодействия всех этих элементов друг с другом, можно вычислить результирующую силу взаимодействия.

Открытие закона Кулона – первый конкретный шаг в изучении свойств электрического заряда. Наличие электрического заряда у тел или элементарных частиц означает, что они взаимодействуют друг с другом по закону Кулона. Никаких отклонений от строгого выполнения закона Кулона в настоящее время не обнаружено.