Закон Кулона

Закон Кулона

Закон Кулона описывает силу взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов. Он был установлен экспериментально французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году с помощью крутильных весов и является основным законом электростатики. По форме закон Кулона очень похож на закон всемирного тяготения.

Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электромагнитном взаимодействии. Существует два рода зарядов — положительные и отрицательные. Точечным называют заряд, размерами тела которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других зарядов.

Формулировка закона

Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F = k*|q1*q2|/r^2

где k ≈ 9*10^9 Н*м^2/Кл^2 — коэффициент пропорциональности, q1 и q2 — модули зарядов, r — расстояние между ними. Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Единица заряда — кулон (Кл).

Роль среды

Если заряды находятся не в вакууме, а в какой-либо среде, сила их взаимодействия уменьшается в ε раз, где ε — диэлектрическая проницаемость среды:

F = k*|q1*q2|/(ε*r^2)

Из таблицы видно, что в воде сила взаимодействия зарядов примерно в 81 раз меньше, чем в вакууме. Поэтому соли в воде легко распадаются на ионы.

Принцип суперпозиции

Если на данный заряд действуют сразу несколько других зарядов, то результирующая сила равна векторной сумме сил, действующих со стороны каждого заряда в отдельности. Сначала по закону Кулона вычисляют силу со стороны каждого заряда, а затем складывают полученные силы как векторы, учитывая их направления.

Разобранный пример

Два заряда q1 = 2*10^-6 Кл и q2 = 3*10^-6 Кл находятся в вакууме на расстоянии r = 0,1 м. Найдём силу их взаимодействия:

F = 9*10^9 * 2*10^-6 * 3*10^-6 / (0,1)^2

F = 9*10^9 * 6*10^-12 / 0,01 = 0,054/0,01 = 5,4 Н

Заряды одноимённые (оба положительные), поэтому они отталкиваются с силой 5,4 Н. Если увеличить расстояние между ними вдвое, сила уменьшится в четыре раза.

Частые ошибки. Закон Кулона применим только к точечным зарядам или равномерно заряженным шарам. Расстояние в формуле возводится в квадрат: при увеличении r в 2 раза сила уменьшается в 4 раза, а не в 2. Заряды нужно обязательно переводить в кулоны, а в формулу подставлять их модули, направление силы определяя отдельно по знакам зарядов.

Кратко о главном

• Закон Кулона: F = k*|q1*q2|/r^2.
• В среде сила меньше в ε раз: F = k*|q1*q2|/(ε*r^2).
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При нескольких зарядах действует принцип суперпозиции — силы складывают векторно.
• Сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.