Основной закон электростатики – закон Кулона

Приступим к изучению количест­венных законов электромагнитных взаимодействий. Основной закон электростатики – закон взаимодей­ствия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен Шарлем Кулоном 1785 г. и носит его имя.

В природе точечных заряженных тел не существует, но если расстоя­ние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно не влияют на взаимодействия между ними. В таком случае эти тела можно рассматривать как то­чечные. Вспомните, что и закон все­мирного тяготения тоже сформули­рован для точечных тел.

Сила взаимодействия заряженных тел зависит от свойств среды между заряженными телами. Пока будем считать, что взаимодействие происходит в вакууме. Впрочем, опыт показывает, что воздух осень мало влияет на силу взаимодействия за­ряженных тел, она оказывается поч­ти такой же, как в вакууме.

Опыты Кулона. Открытие закона взаимодействия электрических за­рядов было облегчено тем; что эти силы оказались велики. Здесь не нужно было применять особо чувствительной аппаратуры, как при проверке закон а всемирного тяготе­ния в земных условиях. С помощью крутильных весов удалось установить, как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела.

Крутильные весы состоят из стек­лянной палочки, подвешенной на тонкой упругой проволочке (рис.1). На одном конце палочки закреплен маленький металлический шарик а, а на другом - противовес С. Еще один металлический шарик закреплен, неподвижно на стержне, который в свою очередь крепится на крышке весов.

При сообщении шарикам одно­именных зарядов они начинают от­талкиваться друг от друга. Чтобы их удержать на фиксированном расстоянии, упругую проволочку нужно закрутить на некоторый угол. По углу закручивания про­волочки определяют силу взаимодействия шариков.

Крутильные весы позволили изу­чить зависимость силы взаимодей­ствия заряженных шариков от вели­чины зарядов и от расстояния между ними. Измерять силу и рас­стояние в то время умели. Единст­венная трудность была с зарядом, для измерения которого не сущест­вовало даже единиц. Кулон нашел простой способ изменения заряда одного из шариков в 2, 4 и более раз, соединяя его с таким же неза­ряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между ша­риками, что и уменьшало исследуе­мый заряд в известном отношении.

Новое значение силы взаимодей­ствия при новом заряде определя­лось экспериментально.

Закон Кулона. Опыты Кулона привели к установлению закона, поразительно напоминающего закон всемирного тяготения. Сила взаимо­действия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению мо­дулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эту силу называют кулоновской.

Если обозначить модули заря­дов через | q₁| и |q₂|, а расстояние между ними через r, то закон Ку­лона можно записать в следующей форме:

где R - коэффициент пропорцио­нальности, численно равный силе взаимодействия единичных зарядов на расстоянии, равном единице дли­ны. Его значение зависит от выбора системы единиц.

Такую же форму имеет за­кон всемирного тяготения, только вместо зарядов в закон тяготения входят массы, а роль коэффициен­та R играет гравитационная по­стоянная.

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 (рис. 2). Подобные силы называют централь­ными. В соответствии с третьим законом Ньютона

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.

Рис.2

Рис.1

Кулон Шарль Огюстен (1736-1806) - французский, ученый, известный своими работами по электричеству и магнетизму и исследованием сил трения. Наряду с изучением взаимо­действия заряженных тел Кулон исследовал также взаимо­действие полюсов длинных магнитов.