Закон Кулона является одним из фундаментальных законов в физике. Он рассматривает силы взаимодействия между двумя заряженными объектами. По мере увеличения расстояния между ними, силовое взаимодействие и характеристики электрического поля уменьшаются. Эта идея была преобразована в относительно простую формулу. Силы между объектами могут быть сонаправлены или направлены в противоположные стороны, в зависимости от того, притягиваются объекты друг к другу или отталкиваются.
Шарль Огюстен де Кулон — французский учёный конца восемнадцатого века получил всемирное признание благодаря формулировке и теоретическому обоснованию своего закона в 1785 году. Его именем названа системная единица количества заряда.
Сила, как векторная величина
Сила электрического взаимодействия является векторной величиной. Она имеет не только значение, но и направление. Направление электрической силы зависит от зарядов взаимодействующих объектов и их пространственной ориентации. Если знать типы зарядов на двух объектах, то направление силы, действующей на любой из них, можно определить небольшим рассуждением.
На приведённой выше схеме в первых двух взаимодействиях объекты имеют одноимённый заряд (положительный или отрицательный), который заставляет их отталкиваться друг от друга. Силы, действующие на объекты направлены в противоположные стороны.
На третьей схеме объекты имеют противоположный по знаку заряд, заставляющий их притягиваться друг к другу.
Когда дело доходит до определения направления электрического вектора силы, лучший способ — применить основное правило взаимодействия зарядов: противоположные заряды притягиваются, одноимённый отталкиваются.
Существует ряд факторов, влияющих на значение силы взаимодействия заряженных частиц.
Рассмотрим два воздушных шара:
Если их зарядить одноимёнными зарядами, то они будут отталкиваться друг от друга, а сила, с которой они отталкиваются, может быть изменена путём изменения трёх переменных:
- Количество заряда на одном из воздушных шаров будет влиять на размер отталкивающей силы. Чем больше заряд шара, тем больше сила отталкивания.
- Количество заряда на втором воздушном шаре будет влиять на величину силы отталкивания. Если слегка потереть о шары мехом, они немного отклонятся в разные стороны. Если сделать это энергично, чтобы каждый шар зарядился больше, они разойдутся на большое расстояние.
- Расстояние между двумя воздушными шарами будет иметь значительное и заметное влияние на силу взаимодействия. Электрическая сила явно выражена, когда воздушные шары ближе всего друг к другу. Увеличение расстояния уменьшает силу. То есть будет наблюдаться обратная зависимость величины силы от расстояния между двумя воздушными шарами.
Закон Кулона
Количественное выражение влияния трёх переменных, приведённых выше, на силу взаимодействия заряженных тел известно как закон Кулона.
Закон Кулона гласит, что сила электрического взаимодействия между двумя заряженными объектами (F), прямо пропорциональна произведению величин их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
В виде формулы, закон Кулона имеет вид:
где [q1] — модуль заряда объекта 1 (в кулонах), [q2] — модуль заряда объекта 2, r — расстояние между двумя объектами (в метрах).
k — коэффициент пропорциональности, известный как постоянная закона Кулона. Значение его зависит от среды, окружающей заряженные объекты. В случае воздуха, величина составляет приблизительно 9,0×109 Нм2/Кл2.
Закон Кулона точно описывает силы взаимодействия между двумя объектами, когда их можно считать точечными зарядами. Заряженная сфера взаимодействует с другими заряженными объектами, как будто весь заряд расположен в её центре. В то время как заряд равномерно распределяется по всей поверхности сферы, центр сферы может считаться центром заряда.