Часть 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Раздел 8 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

8.2. Закон Кулона

Закон взаимодействия электрических зарядов установил 1785 г. Ш. Кулон экспериментально с помощью крутильных весов, принцип действия которых использованы в опыте Г. Кавендиша по определению гравитационной устойчивой. Ш. Кулон установил, что сила взаимодействия F между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от этих зарядов q₁ и q₂:

где k - коэффициент пропорциональности; r - расстояние между центрами заряженных шариков. Закон Кулона справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов, то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. Кроме того, он определяет силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть этот закон электростатический.

Закон Кулона можно сформулировать так: сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

Любое заряженное тело можно рассматривать как совокупность точечных зарядов аналогично тому, как в механике можно любое тело считать совокупностью материальных точек. Тогда электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных к всех точечных зарядов второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела. Расчеты показывают, что закон Кулона в форме (8.1) справедлив также для взаимодействующих заряженных тел шаровой формы, если заряды q₁ и q₂ распределены равномерно по всему объему или по всей поверхности этих тел. При этом радиусы тел могут быть такого же порядка, как и расстояния между их центрами. Ш. Кулон также установил, что силы, действующие на заряды, является центральными, то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды. Однако исследователь изучал взаимодействие между зарядами, что находились в воздухе. Следующие экспериментальные исследования показали, что при прочих равных условиях сила электрической взаимодействия между двумя точечными зарядами зависит от свойств среды, в которой эти заряды находятся.

Влияние среды на силу электростатического взаимодействия между зарядами учитывается в законе Кулона коэффициентом k, который зависит также от выбора единиц измерения величин, входящих в формулу (8.1). В связи с этим удобно подать коэффициент к в виде отношения двух коэффициентов:

где k₁ - коэффициент, зависящий от выбора системы единиц; ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды - безразмерная величина, которая характеризует его электрические свойства. Для вакуума

В CI и закон Кулона принимает вид

где ε₀ - электрическая стала

Такую форму записи закона Кулона называют раціоналізованою. За единицу количества электричества (единицу заряда) в СИ берут 1 кулон (1 Кл) - количество электричества, проходящего за 1 с через поперечное сечение проводника, по которому проходит ток силой 1 А.

В системе СГСЭ k₁ = 1 и закон Кулона принимает вид

Систему, состоящую из двух точечных одинаковых по значению и противоположных по знаку зарядов, расстояние между которыми l, называют диполем.

Такую систему в физике рассматривают потому, что центры положительных и отрицательных зарядов молекул многих веществ имеют определенное смещение друг относительно друга и, следовательно, являются естественными диполями. Представление о диполи дает возможность, например, с определенным приближением описать взаимодействие молекул различных веществ. Модель дипольного строения вещества положен в основу теории диэлектриков.

Произведение положительного заряда на расстояние между зарядами называют электрическим моментом диполя

Если расстояние между зарядами рассматривать как вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, то электрический момент диполя будет также вектором

где l - плечо диполя.