04. Закон Кулона (Ерюткин Е. С.)

Опыт и выводы Кулона

Нам уже известно, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются (говоря заряды, конечно же, подразумеваем заряженное тело). Однако каким образом может быть посчитана эта сила? Ответ на этот вопрос дал в 1785 г. французский учёный Шарль Кулон (рис. 1), выведя одноимённый закон.

Закон Кулона является основной формулой электростатики.

Определение. Электростатика – раздел электродинамики, в котором рассматриваются взаимодействия неподвижных заряженных тел.

Каким же образом Кулон узнал, от чего и как зависит сила взаимодействия заряженных тел? Сделал он это с помощью так называемых крутильных весов (рис. 2):

На один конец коромысла он надевал заряженный им шарик, на другой – нейтральный шарик. Третий точно такой же шарик, также заряженный, он подносил к первому, естественно, приводя коромысло к повороту. Далее про проградуированной шкале он определял, на сколько провернулось коромысло, и таким образом находил величину силы (момент силы электрического взаимодействия равен моменту силы упругости кручения, которая пропорциональна углу поворота).

Для определения зависимости силы от величин зарядов Кулон сделал следующее: так как одинаковые шарики при соприкосновении обмениваются зарядами таким образом, что на обоих шариках заряд одинаков, он сначала разряжал один из шариков, а затем соединял их. Таким образом, Кулон мог наблюдать, насколько меняется сила взаимодействия при уменьшении заряда в два раза. И, конечно же, никакого труда не составляло изменять расстояние между зарядами.

В результате опытов был сформулирован закон Кулона.

Закон Кулона

Определение. Закон Кулона: сила взаимодействия двух заряженных тел (сила Кулона или Кулонова сила) прямо пропорциональна произведению модулей их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

В дальнейшем закон приобрёл следующий свой окончательный вид:

Следует также помнить о некоторых границах применимости данной формулы. Формула позволяет найти силу взаимодействия в двух случаях: если взаимодействуют точечные заряды и если взаимодействуют заряженные «правильные тела». В первом случае заряженными телами являются материальные точки, во втором – сфера или шар. Во втором случае расстояние  отмеряется между центрами тел (рис. 3):

И, конечно же, стоит помнить, что все величины в формуле являются заведомо положительными, поэтому следует отдельно учитывать знаки зарядов и выбор системы отсчёта.

Не все величины, присутствующие в законе Кулона, нам на данный момент известны, поэтому следует их определить.

Коэффициент диэлектрической проницательности

Определение. Диэлектрическая проницаемость среды – величина, указывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух зарядов в данной среды меньше силы взаимодействия в вакууме (для тех же зарядов и расстояния между ними). Обозначение – . Безразмерная величина.

Диэлектрические проницаемости большинства сред известны и занесены в соответствующие таблицы.

Коэффициент пропорциональности, пробный заряд

Величина же, обозначенная в формуле буквой  , является коэффициентом пропорциональности и показывает, как сильно будут взаимодействовать друг с другом заряды по  на расстоянии в .

Несмотря на то, что данный закон позволяет найти силу, действующую на заряженное тело только со стороны второго заряженного тела, не составляет труда найти силу взаимодействия нескольких заряженных тел. Для этого по очереди находим силу каждого в отдельности, а затем по правилам векторного сложения суммируем их. Из закона Кулона следует понятие пробного заряда.

Определение. Пробный заряд – точечный положительный заряд.

На следующем уроке мы рассмотрим электрическое поле.

Список литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.

2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.

3. Касьянов В. А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «av-physics.narod.ru»

2. Интернет-портал «files.school-collection.edu.ru»

Домашнее задание

1. Стр. 89: № 682–687. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А. П. – М.: Дрофа, 2013.

2. С какой силой взаимодействуют два точечных заряда 2 нКл и -3нКл на расстоянии 5 см?

3. На заряд 1 нКл действует сила 4Н со стороны заряд в 3 нКл, на каком расстоянии находятся друг от друга заряды?

4. Почему для неточечных зарядов несправедлив закон Кулона?

5. * Какая сила действует на электрон в атоме водорода?