Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и является силой притяжения, если заряды разноименные, и силой отталкивания, если заряды одноименные.
Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:
Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц.
Полная формула закона Кулона:
( F ) — Сила Кулона
( q_1 q_2 ) — Электрический заряд тела
( r ) — Расстояние между зарядами
( varepsilon_0 = 8,85*10^ <-12>) — Электрическая постоянная
( varepsilon ) — Диэлектрическая проницаемость среды
( k = 9*10^9 ) — Коэффициент пропорциональности в законе Кулона
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: ( vec
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:
- Точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
- Неподвижность зарядов. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд .
- Взаимодействие зарядов в вакууме.
В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл) .
Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А . Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.
Заряженный шарик приводят в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком. Находясь на расстоянии ( r = 15 ) см, шарики отталкиваются с силой ( F = 1 ) мН. Каков был первоначальный заряд заряженного шарика?
При соприкосновении заряд разделится ровно пополам (шарики одинаковые).По данной силе взаимодействия можем определить заряды шариков после соприкосновения (не забудем, что все величины надо представить в единицах СИ – ( F = 10^ <-3>) Н, ( r = 0.15 ) м):
Тогда до соприкосновения заряд заряженного шарика был вдвое больше: ( q_1=2cdot 5cdot 10^<-8>=10^ <-7>)
Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.
Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. В таком случае ни форма, ни размеры заряженных тел не влияют практически на взаимодействие между ними.
Закон Кулона экспериментально впервые был доказан приблизительно в 1773 г. Кавендишем, который использовал для этого сферический конденсатор. Он показал, что внутри заряженной сферы электрическое поле отсутствует. Это означало, что сила электростатического взаимодействия меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, однако результаты Кавендиша не были опубликованы.
В 1785 г. закон был установлен Ш. О. Кулоном с помощью специальных крутильных весов. Опыты Кулона позволили установить закон, поразительно напоминающий закон всемирного тяготения.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
В аналитическом виде закон Кулона имеет вид:
.
где |q1| и |q2| — модули зарядов; r — расстояние между ними; k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.
Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.
В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.
Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока — 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.
За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за 1 с.
Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по 1 Кл каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой 1 т. Сообщить такой заряд небольшому телу невозможно (отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться в теле). А вот в проводнике (который в целом электронейтрален) привести в движение такой заряд просто (ток в 1 А — вполне обычный ток, протекающий по проводам в наших квартирах).
Коэффициент k в законе Кулона при его записи в СИ выражается в Н · м 2 /Кл 2 . Его численное значение, определенное экспериментально по силе взаимодействия двух известных зарядов, находящихся на заданном расстоянии, составляет:
k = 9 · 10 9 Н·м 2 /Кл 2 .
Часто его записывают в виде 
, где ɛ =8,85 · 10 — 12 Kл 2 /H·м 2 — электрическая постоянная. В среде с диэлектрической проницаемостью ɛ закон Кулона имеет вид:
.
Электрические заряды
Самое простое явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении. Еще древнегреческий философ Фалес Милетский (VII век до н.э.) обратил внимание на то, что кусок янтаря, будучи натертый кусочком шерстяной ткани, начинает притягивать небольшие предметы.
Название элементарной, отрицательно заряженной частицы — электрон — на греческом языке означает янтарь.
Рис. 1. Наэлектризованные трением предметы притягиваются и отталкиваются.
В качестве предметов, которые с помощью трения легко электризуются, можно использовать, например, стекло, эбонит, пластмассу. При этом оказывается, что кусочки бумаги, наэлектризованные от этих разных предметов, могут как притягиваться, так и отталкиваться. Из этих наблюдений были сделаны следующие выводы:
- Взаимодействие заряженных тел, обнаруженное в подобных экспериментах, называется электрическим взаимодействием;
- Физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Электрический заряд обозначается буквой q;
- Электрический заряд всегда можно передать от одного тела к другому;
- Способность электрических зарядов к взаимному притяжению или отталкиванию можно объяснить, предположив, что существуют два вида зарядов. Один вид заряда называется положительным, а другой — отрицательным;
- Одноименные заряды отталкиваются;
- Разноименные заряды притягиваются.
Американский ученый Бенджамин Франклин в 1747 г. первым ввел названия для положительных и отрицательных зарядов, а также обозначения “−” и “+”.
Для обнаружения, изучения и измерения величины электрического заряда английский исследователь Уильям Гилберт (1600 г.) придумал специальный прибор — электроскоп.
Рис. 2. Электроскоп.
Закон Кулона
В 1785 г. французский исследователь Шарль Кулон после многочисленных экспериментов с заряженными телами открыл основной закон электростатики. Он измерял силу взаимодействия заряженных шариков. Наблюдения показали, что сила Fэ взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух неподвижных заряженных тел, размеры (диаметры) которых на много меньше расстояния между ними, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Fэ — сила взаимодействия;
r — расстояние между зарядами;
k — постоянный коэффициент (константа).
В формуле закона Кулона о взаимодействии заряженных тел фигурируют модули зарядов, так как заряды могут быть разных знаков. Значит и для величины Fэ формула дает абсолютное значение. Если заряды имеют одинаковые знаки , то Fэ является силой отталкивания, а если знаки разные — силой притяжения. Сила направлена вдоль прямой, соединяющей центры зарядов.
Рис. 3. Закон Кулона. Два заряда притягиваются или отталкиваются.
Единицы измерения
Единица измерения заряда была названа в честь Кулона. 1 кулон — это заряд, проходящий при силе тока 1 ампер за 1 секунду через поперечное сечение проводника.
В международной системе единиц СИ:
Константа k законе Кулона в единицах системы СИ будет равна:
Приведенная здесь формула закона Кулона справедлива для зарядов, находящихся в вакууме. Для зарядов, которые взаимодействуют в какой-либо среде, формула будет иметь такой же вид, но величина постоянной k будет другой. Значения k для разных веществ измерены экспериментально и приведены в справочных таблицах.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Сила взаимодействия зарядов рассчитывается с помощью формулы закона Кулона.
