Что такое кулон простыми словами

Правило Кулона простым языком: формула, ее описание, применение на практике и его значение

В физике есть раздел, который изучает электрические разряды и их взаимодействие с электрическим полем в состоянии покоя, и он называется электростатикой. В этом разделе главным оказывается правило Кулона.

Это правило применяют, чтобы определить силу, с которой взаимодействуют два покоящихся электрических зарядов либо расстояние от одного заряда до другого. На закон Кулона ничего не влияет и он ни от чего не зависит. Это основополагающий закон. Таким образом, вид конкретного объекта не оказывает влияния на силу и её значение.

Далее мы простыми словами объясним в чем заключается Кулоновское правило и закон Кулона и где его применяют.

Об открытии закона Кулона

1785 г. стал годом, когда экспериментальным путём были доказаны действия, которые описываются в законе. Это открытие совершил Ш.О. Кулон при помощи специальных крутильных весов.

Но, уже в 1773 году с помощью конденсатора в форме сферы, Кавендиш доказал, что во внутренней части этой сферы не было электрического поля.

А это говорит об изменении электрических сил с учетом промежутка от одной частицы до другой. Или расстоянию в квадрате. Но эти научные данные никто не опубликовал.

Отсюда становится понятным, почему закон назван по имени ученого Ш. О. Кулона, а не в честь Кавендиша. Мера, с помощью которой проводят измерения разряда, получила аналогичное название.

Как формулируется закон Кулона

Трактовка закона Кулона звучит следующим образом: в пустом пространстве (вакууме) сила двух взаимодействующих объектов с определённым зарядом возрастает по мере увеличения произведения их модулей и уменьшающаяся при возрастании расстояния в квадрате от одного объекта до другого.

Однако данная формулировка понятна не всем. Если объяснить по-простому, то закон Кулона будет звучать так: чем больше величина разряда тел и насколько рядом они располагаются, тем величина силы будет выше.

Либо по-другому: увеличивая промежуток между двумя заряженными телами – значение силы будет уменьшаться.

Описываемый закон может быть записан следующим образом:

Что означает каждая из величин в формуле: q — заряд, r — промежуток от одного заряда до другого, k — множитель, зависящий от того, какая система СИ была выбрана.

Заряд q обладает условно положительным либо условно отрицательным значением. Такое разделение может быть условным, т.е. если тела будут соприкасаться, то это значение способно перемещаться от тела к телу.

В результате у одного и того же объекта разряд может отличаться по своему значению и знаку. Заряд с маленьким размером в сравнении с тем, на каком расстоянии они взаимодействуют, носит название точечного заряда.

Кроме того, необходимо принимать во внимание тот факт, что условия, в которых находится разряд, оказывают влияние на взаимодействующие силы (F). Эта сила как в воздушном пространстве, так и в безвоздушном пространстве (вакууме) обладает практически одинаковыми величинами, поэтому этот закон применим исключительно в этих средах.

И это является одним из правил использования выше написанной формулы. Единицей измерения зарядов является Кулон (Кл).

Кулоном называют заряды, проходящие за 1 сек через тело, в котором сила тока равна 1 амперу. И может быть представлена как производная от основополагающих единиц измерения СИ.

Известно, что отталкиваясь, тела плохо удерживаются на маленьком объекте, несмотря на то, что сила тока равная 1 амперу–не велика.

К примеру, ток с силой в 0,5 ампер на каждые 100Вт протекает по простым лампочкам, но в том же электрическом нагревателе сила тока составляет величину более 10 ампер.

Таким образом, сила, действующая на объект с весом в 1 тонну с позиции Земли, обладает приблизительно одним и тем же значением.

Можно отметить тот факт, что выше представленное уравнение фактически имеет такую же форму, как и при гравитационных взаимодействиях.

И в случае когда в классической механике первостепенной является масса, тогда как при электростатическом взаимодействии фигурирует заряд.

Кулоновский закон для среды диэлектриков

Учитывая все величины в системе СИ множитель k будет равен следующему значению с соответствующей единицей измерения. Однако в большинстве учебников данный множитель записывают как дробь.

Где величина электрической постоянной равна — Е0= 8,85*10-12 Кл2/Н*м2.В диэлектрической среде в уравнении появляется величина диэлектрической постоянной.

Таким образом, рассматриваемый закон Кулона можно применять при расчете взаимодействующих сил заряда в вакууме и заряда в среде.

Теперь видно, что введя диэлектрик, значение силы F уменьшится.

Направление сил в законе Кулона

Взаимодействуя между собой два заряда с учётом того, какой полярностью обладают: с одинаковой будут отталкиваться, а с разными полярностями (противоположными) притягиваться.

Тем самым, отличаясь от похожего правила гравитационного взаимодействия, при котором объекты только способны притягиваться.

Радиус-вектор – это сила, направленная вдоль прямой, которая проведена между двумя зарядами. Эта величина имеет следующее обозначение — r12.

В том случае, когда два заряда имеют противоположные знаки, то тогда направление сил будет от центральной части одного заряда к противоположному заряду по всей проведенной прямой этими зарядами.

Однако, если они имеют одинаковые знаки, то направление будет в противоположную сторону.

Величина силы, приложенной кq1со стороны q2имеет обозначение следующего вида — F12. Чтобы определить силу, которая прикладывается на второй разряд применяют следующие символы -F21 и R21.

В случае, когда объект обладает сложной формой и большими размерами, что с заданным расстоянием оно не считается точечным, тогда объект разделяют на небольшие разделы и принимают каждый раздел за одиночный заряд.

Проведя все геометрические расчёты векторов выводят итоговое значение силы.

Практическое использование закона Кулона

Исследования Кулона для электростатики имеют большое значение, так как применяются во многих изобретениях и устройствах. В качестве примера можно привести громоотвод.

Он применяется для защиты зданий и электроустановок от гроз, что также позволяет предупредить возникновение пожара и поломку техники.

Когда на улице дождливая погода сопровождается грозой, то на земле возникают направленные разряды, притягивающиеся к облакам. В результате на земле образуются электрические поля большой величины.

Рядом с острой частью громоотвода это поле обладает наибольшей величиной, поэтому от этой части образуется возгорание самостоятельного газового разряда (земля -> громоотвод ->облака).

В то время, когда электричество от земли притягиваются к противоположным величинам облаков, начинает действовать закон Кулона.

Происходит намагничивание воздуха и уменьшение напряженности электростатического поля рядом с громоотводом. В результате оба заряда не будет накапливаться на зданиях и тогда риск возникновения молний будет ниже.

В том случае если молния всё-таки ударит по зданию, тогда по громоотводу образуемая энергия будет уходить в землю.

Для более важных исследований используют устройство, с помощью которого получают заряженные частицы высокой энергии. В этом устройстве поле, создаваемое при помощи электрических разрядов, создаёт действия, которые увеличивают энергию частиц.

При рассмотрении этих процессов с позиции действия на небольшие разряды группами, то в этом случае все зависимости закона Кулона становятся правдивыми.

Что такое кулон простыми словами

Французский военный инженер и учёный-физик, исследователь электромагнитных и механических явлений; член Парижской Академии наук. Его именем названы единица электрического заряда и закон взаимодействия электрических зарядов.

Основные научные работы

В 1785 году вышли три основных научных доклада Кулона по электричеству и магнетизму: «Первая работа по электричеству и магнетизму», «Вторая работа по электричеству и магнетизму» и «Третья работа по электричеству и магнетизму». В его известной работе от 1789 года с названием «Седьмая работа» Кулон разъясняет вопрос электрических зарядов и магнитных полей (закон притяжения и отталкивания).

Чем знаменит

• Его имя одно из 72, которые размещены на Эйфелевой башне.
• Единица международной системы единиц – кулон – названа в его честь.
• Теория давления грунта и обобщённая теория клина, которые относятся к механике сыпучих тел и были предложены Кулоном, до сих пор входят в основы инженерной практики.
• В список его заслуг входит изобретение крутильных (торсионных) весов.

Закон Кулона простым языком

Взаимодействия электрических зарядов исследовали ещё до Шарля Кулона. В частности, английский физик Кавендиш в своих исследованиях пришёл к выводу, что неподвижные заряды при взаимодействии подчиняются определённому закону. Однако он не обнародовал своих выводов. Повторно закон Кулона был открыт французским физиком, именем которого был назван этот фундаментальный закон.

История открытия

Эксперименты с заряженными частицами проводили много физиков:

Г. В. Рихман;
профессор физики Ф. Эпинус;
Д. Бернулли;
Пристли;
Джон Робисон и многие другие.
Все эти учёные очень близко подошли к открытию закона, но никому из них не удалось математически обосновать свои догадки. Несомненно, они наблюдали взаимодействие заряженных шариков, но установить закономерность в этом процессе было непросто.

Кулон проводил тщательные измерения сил взаимодействия. Для этого он даже сконструировал уникальный прибор – крутильные весы.

У придуманных Кулоном весов была чрезвычайно высокая чувствительность. Прибор реагировал на силы порядка 10-9 Н. Коромысло весов, под действием этой крошечной силы, поворачивалось на 1º. Экспериментатор мог измерять угол поворота, а значит и приложенную силу, пользуясь точной шкалой.

Благодаря гениальной догадке учёного, идея которой состояла в том, что при соприкосновении заряженного и незаряженного шариков, электрический заряд делился между ними поровну. На это сразу реагировали крутильные весы, коромысло которых поворачивалось на определённый угол. Заземляя неподвижный шарик, Кулон мог нейтрализовать на нём полученный заряд.

Таким образом, учёный смог уменьшать первоначальный заряд подвижного шарика кратное число раз. Измеряя угол отклонения после каждого деления заряда, Кулон увидел закономерность в действии отталкивающей силы, что помогло ему сформулировать свой знаменитый закон.

Формулировка

Кулон исследовал взаимодействие между шариками, ничтожно малых размеров, по сравнению с расстояниями между ними. В физике такие заряженные тела называются точечными. Другими словами, под определение точечных зарядов подпадают такие заряженные тела, если их размерами, в условиях конкретного эксперимента, можно пренебречь.

Для точечных зарядов справедливо утверждение: Силы взаимодействия между ними направлены вдоль линии, проходящей через центры заряженных тел. Абсолютная величина каждой силы прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Данную зависимость можно выразить формулой:

|F1|=|F2|=(ke*q1*q2) / r2

Остаётся добавить, что векторы сил направлены друг к другу для разноименных зарядов, и противоположно, в случае с одноимёнными зарядами. То есть между разноимёнными зарядами действует электрическое притяжение, а между одноимёнными – отталкивание.

Таким образом, закон Кулона описывает взаимодействие между двумя электрическими зарядами, которое лежит в основе всех электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы действовал сформулированный выше закон, необходимо выполнение следующий условий:

соблюдение точечности зарядов;
неподвижность заряженных тел;
закон выражает зависимости между зарядами в вакууме.

Границы применения

Описанная выше закономерность при определённых условиях применима для описания процессов квантовой механики. Правда, закон Кулона формулируется без понятия силы. Вместо силы используется понятие потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Закономерность получена путём обобщения экспериментальных данных.

Следует отметить, что на сверхмалых расстояниях (при взаимодействиях элементарных частиц) порядка 10 — 18 м проявляются электрослабые эффекты. В этих случаях закон Кулона, строго говоря, уже не соблюдается. Формулу можно применять с учётом поправок.

Нарушение закона Кулона наблюдается и в сильных электромагнитных полях (порядка 1018 В/м), например поблизости магнитаров (тип электронных звёзд). В такой среде кулоновский потенциал уменьшается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Кулоновские силы подпадают под действие третьего закона Ньютона: F1 = – F2. Они используются для описания законов всемирного тяготения. В этом случае формула приобретает вид: F = ( m1* m2 ) / r2 , где m1 и m2 – массы взаимодействующих тел, а r – расстояние между ними.

Закон Кулона стал первым открытым количественным фундаментальным законом, обоснованным математически. Его значение в исследованиях электромагнитных явлений трудно переоценить. С момента открытия и обнародования закона Кулона началась эра изучения электромагнетизма, имеющего огромное значение в современной жизни.

Коэффициент k

Формула содержит коэффициент пропорциональности k, который для согласования соразмерностей в международной системе СИ. В этой системе единицей измерения заряда принято называть кулоном (Кл) – заряд, проходящий за 1 секунду сквозь проводник, где силы тока составляет 1 А.

Коэффициент k в СИ выражается следующим образом: k = 1/4πε0, где ε0 – электрическая постоянная: ε0 = 8,85 ∙10-12 Кл2/Н∙м2. Выполнив несложные вычисления, мы находим: k = 9×109 H*м2 / Кл2. В метрической системе СГС k =1.

На основании экспериментов было установлено, что кулоновские силы, как и принцип суперпозиции электрических полей, в законах электростатики описывают уравнения Максвелла.

Если между собой взаимодействуют несколько заряженных тел, то в замкнутой системе результирующая сила этого взаимодействия равняется векторной сумме всех заряженных тел. В такой системе электрические заряды не исчезают – они передаются от тела к телу.

Закон Кулона в диэлектриках

Выше было упомянуто, что формула, определяющая зависимость силы от величины точечных зарядов и расстояния между ними, справедлива для вакуума. В среде сила взаимодействия уменьшается благодаря явлению поляризации. В однородной изотопной среде уменьшение силы пропорционально определённой величине, характерной для данной среды. Эту величину называют диэлектрической постоянной. Другое название – диэлектрическая проницаемость. Обозначают её символом ε. В этом случае k = 1/4πεε0.

Диэлектрическая постоянная воздуха очень близка к 1. Поэтому закон Кулона в воздушном пространстве проявляется так же как в вакууме.

Интересен тот факт, что диэлектрики могут накапливать электрические заряды, которые образуют электрическое поле. Проводники лишены такого свойства, так как заряды, попадающие на проводник, практически сразу нейтрализуются. Для поддержания электрического поля в проводнике необходимо непрерывно подавать на него заряженные частицы, образуя замкнутую цепь.

Применение на практике

Вся современная электротехника построена на принципах взаимодействия кулоновских сил. Благодаря открытию Клоном этого фундаментального закона развилась целая наука, изучающая электромагнитные взаимодействия. Понятие термина электрического поля также базируется на знаниях кулоновских сил. Доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака не что иное как скопление электрических зарядов. Они притягивают к себе индуцированные заряды земли, в результате чего появляется молния. Это открытие позволило создавать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электротехнических сооружений.

Исследования Кулона для электростатики имеют большое значение, так как применяются во многих изобретениях и устройствах. В качестве примера можно привести громоотвод.

Он применяется для защиты зданий и электроустановок от гроз, что также позволяет предупредить возникновение пожара и поломку техники.

Когда на улице дождливая погода сопровождается грозой, то на земле возникают направленные разряды, притягивающиеся к облакам. В результате на земле образуются электрические поля большой величины.

Рядом с острой частью громоотвода это поле обладает наибольшей величиной, поэтому от этой части образуется возгорание самостоятельного газового разряда (земля -> громоотвод ->облака).

В то время, когда электричество от земли притягиваются к противоположным величинам облаков, начинает действовать закон Кулона.

На базе электростатики появилось много изобретений:

• конденсатор;
• различные диэлектрики;
• антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
• защитная одежда для работников электронной промышленности и многое другое.

На законе Кулона базируется работа ускорителей заряженных частиц, в частности, функционирование Большого адронного коллайдера

Изучаем закон Кулона и его важность в физике

Закономерности, которые определяют взаимодействие неподвижных электрозарядов, можно рассматривать как основу для изучения электричества. Закон Кулона считают первым фундаментальным законом, который был открыт в этой области знаний. Чтобы уметь им пользоваться, нужно хорошо знать не только формулировку, но и его различные особенности.

Электрические заряды

Понятие электрического заряда имеет много общего с понятием массы в механике. Обе эти величины фактически определяют степень взаимодействия между объектами. Некоторые свойства зарядов были известны ещё в древности:

• Существует два вида зарядов. Это означает, что взаимодействующие объекты могут быть одноименно или разноименно заряжены.
• Между зарядами одного типа происходит отталкивание, разного — притягивание.

Электричество вызывало пристальный интерес учёных на протяжении веков. В результате расширения знаний в этой сфере они выяснили также другие особенности:

• Носителем заряда являются электроны.
• Величина заряда любого вещества не является произвольной, она кратна заряду электрона.
• Выяснили, что на практике оба вида зарядов можно получить одним и тем же способом, но с использованием разных материалов. Например, если потереть янтарь мехом, то появляется отрицательный электрозаряд, а если стекло кожей, то положительный.

Важно отметить, что суммарная величина заряда в замкнутой системе со временем не изменяется.

Величину элементарного электрозаряда удалось с высокой точностью определить экспериментальным способом. Она измеряется в Кулонах.

Однако Кулон в СИ не относится к числу основных единиц. Формально его определяют через силу тока, представляющую собой количество электрозаряда, перемещающегося за единицу времени. Таким образом, можно утверждать, что 1 Кулон = 1 Ампер * 1 сек.

Взаимодействие неподвижных электрозарядов является предметом электростатики. Соответственно оно получило название электростатического или кулоновского.

История открытия

Закон Кулона назван именем учёного, впервые сформулировавшего его, однако аналогичные исследования проводились и раньше. Например, Кавендиш изучал взаимодействие зарядов, но не смог сформулировать закон. Ученый не публиковал результаты своих исследований.

Взаимодействие электрически заряженных частиц изучали также физики Рихман, Эпинус, Бернулли, Пристли и пр. Все они внесли значительный вклад в изучение электричества, но никто до Кулона не смог сформулировать и обосновать закон.

Для проведения исследований в данной сфере физики был создан особый прибор –крутильные весы. Это связано с тем, что в те времена ещё не было изобретено устройств для изучения закономерностей, связанных с электрическими зарядами, без чего невозможно провести точные измерения.

Чувствительность крутильных весов была очень высокой. С помощью прибора можно было определять силу взаимодействия электрозарядов, величина которых равнялась одной миллиардной Ньютона. Ось прибора под действием силы поворачивалась. Экспериментатор имел возможность измерять угол поворота, следовательно, и приложенную силу.

Взаимодействие между шариками измерялось следующим образом. Сообщив одному из них определённый заряд, учёный предположил, что при соприкосновении с другим шариком он разделится ровно пополам. Затем неподвижный шарик заземлялся, вследствие чего заряд на нем нейтрализовался. После его нового соприкосновения с заряженным на него должна была перейти половина электрозаряда, то есть, четверть от первоначального.

Эксперимент выполнялся несколько раз. При этом постепенно уменьшался заряд на шариках описанным здесь образом. В каждом случае проводились измерения угла поворота, а вычисления величины действующей силы показали, что при уменьшении силы заряда вдвое сила взаимодействия уменьшается в четыре раза. Эта закономерность с максимально доступной точностью повторялась в каждой такой ситуации.

В результате анализа полученных измерений был выведен закон Кулона. Его формулировка появилась в 1785 году. Несмотря на относительно высокую точность измерений, проверка формулы была сделана только с точностью нескольких процентов. Впоследствии неоднократно делались более точные проверки, которые неизменно подтверждали полученный закон.

Формулировка закона

Шарль Кулон утверждал следующее:

В формуле, по которой определяется сила Кулона, учитывается модуль электрозарядов. Кроме того, в ней еще присутствует расстояние и коэффициент пропорциональности. Закон Кулона, несмотря на хорошую практическую применимость, сформулирован для идеальных условий. В данном случае:

• Рассматриваются точечные заряды. Хотя такое требование закона Кулона в реальных условиях не может быть выполнено, тем не менее, всегда можно предположить, где возможно наличие таких точек. Например, если рассматриваются объекты, удаленные друг от друга на значительное расстояние, то определяя направление силы Кулона, их можно приближённо считать точечными зарядами.
• В законе Кулона описывается взаимодействие только неподвижных зарядов.
• Формулировка учитывает среду, в которой происходит взаимодействие электрозарядов, с помощью соответствующего коэффициента пропорциональности.

При соблюдении указанных условий формула позволит в большинстве случаев определить точную силу взаимодействия. Исключение составляют следующие ситуации:

• На сверхмалых дистанциях порядка 10 -18 м очень слабым становится взаимодействие элементарных частиц, имеющих электрический заряд, поэтому закон Кулона не соблюдается. Это в первую очередь связано с тем, что на таком уровне действует уже сила, определяющая взаимодействия внутри ядра.
• Закон не действует в сверхсильных электромагнитных полях, показатели которых превышают 10 18 В/м. В таком поле снижение силы взаимодействия при увеличении дистанции будет происходить по экспоненциальному закону.

Закон Кулона считается одним из первых фундаментальных законов электромагнетизма. Он стал основой для дальнейших исследований в этой сфере.

Что собой представляет коэффициент пропорциональности

В формуле для определения кулоновской силы содержится коэффициент пропорциональности k, используемый с целью согласования соразмерностей в системе СИ. Его можно представить в виде дроби:

В делителе формулы присутствует ε₀. Этот параметр называется электрическая постоянная и зависит от той среды, в которой осуществляется взаимодействие зарядов. Экспериментальное определение электрической постоянной, используемой для вычисления k, было выполнено с высокой точностью. Её значение равно:

В вакууме коэффициент k имеет следующее значение:

Для определения силы Кулона в любой среде применяется формула:

Также была проверена степень, в которую в формуле возводится расстояние между точечными зарядами. В настоящее время подтверждено, что этот параметр определен с точностью 10 -16 .

Современная физика и техника позволили проверить данные, используемые при расчете силы взаимодействия. Оказалось, что единица измерения электрозаряда слишком большая для применения на практике. Для примера можно подсчитать силу взаимодействия между зарядами, каждый из которых равен 1 Кулону. Дистанция между ними составляет 1 метр.

Как видим, сила Кулона имеет значительную величину. В этой связи можно заметить, что величина заряда, получаемая при трении расчёски шерстью, будет равняться 1 мкКл — микрокулону, который представляет собой миллионную долю Кулона.

Аддитивность

Одной из важных особенностей закона Кулона считается принцип аддитивности. Чтобы в нём разобраться, нужно понимать, что сила абсолютного кулоновского взаимодействия касается двух точечных электрозарядов, но это условие не является обязательным. Например, можно рассматривать взаимодействие между тремя или большим их количеством. Но при этом, если говорить простыми словами, нужно вести расчет для каждой пары зарядов.

Следует сказать, что вычисленная в соответствии с рассматриваемым законом сила представляет собой векторную величину. Она направлена по прямой, соединяющей между собой заряженные точки.

Вычисления векторной силы выполняют для каждой пары точек имеющегося набора. После завершения расчетов нужно для каждой точки записать значение и направление всех действующих на неё сил. После этого полученные вектора нужно сложить, чтобы получить результирующую силу, действующую на каждый объект.

Принцип аддиктивности говорит о том, что воздействие зарядов является независимым. Для получения суммарного результата воздействия необходимо сложить все векторы с учетом того, куда они направлены.

Применение

На первый взгляд, закон Кулона выглядит как теоретическое знание. Однако он широко применяется на практике. Многие изобретения появились именно на базе электростатики:

• Одно из таких изобретений — конденсаторы. Их работа основана, в том числе, и на законе Кулона.
• Диэлектрические материалы разных видов.
• Антистатические покрытия, используемые для защиты высокочувствительных электронных компонентов.
• Ещё одно применение рассматриваемого закона — создание защитной одежды для тех, кто работает в электронной промышленности.
• Работа ускорителей элементарных частиц также основывается на законе Кулона.

Закон Кулона стал в физике первым фундаментальным законом, обоснованным математически. Его открытие дало старт эре изучения электромагнетизма, без которого современная жизнь уже немыслима.

Что такое кулон простыми словами

В электростатике закон Кулона — один из основополагающих. Он применяется в физике для определения силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов или расстояния между ними. Это фундаментальный закон природы, который не зависит ни от каких других законов. В этой статье мы расскажем простым языком закон Кулона и его применение на практике.

История открытия

Шарль Кулон в 1785 г. впервые экспериментально доказал взаимодействия, описанные законом. В своих опытах он использовал специальные крутильные весы. Однако еще в 1773 г. было доказано Кавендишем на примере сферического конденсатора, что внутри сферы отсутствует электрическое поле. Это говорило о том, что электростатические силы изменяются в зависимости от расстояния между телами. Тогда его исследования не были опубликованы. Исторически сложилось так, что это открытие было названо в честь Кулона, аналогичное название носит и величина, в которой присутствует заряд.

Формулировка

Определение закона Кулона гласит:

В вакууме F взаимодействие двух заряженных тел прямо пропорционально произведению их модулей и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Звучит кратко, но может быть не всем понятно. Простыми словами:

Чем больший заряд имеют тела и чем ближе они находятся друг к другу, тем больше сила.

И наоборот: Если увеличить расстояние межу зарядами — сила станет меньше.

Формула Кулона выглядит так:

Обозначение букв: q — величина заряда, r — расстояние межу ними, k — коэффициент, зависит от выбранной системы единиц.

Величина заряда q может быть условно-положительной или условно-отрицательной. Это деление весьма условно. При соприкосновении тел заряд может передаваться от одного к другому. Отсюда следует, что одно и то же тело может иметь разный по величине и знаку заряд. Точечным называется такой заряд или тело, размеры которого много меньше, чем расстояние возможного взаимодействия.

Стоит учитывать что среда, в которой расположены заряды, влияет на F взаимодействия. Так как в воздухе и в вакууме условия почти одинаковы, открытие Кулона применимо только для этих сред, это одно из условий применения этого вида формулы. Как уже было сказано, в системе СИ единица измерения заряда — Кулон, сокращено Кл. Она характеризует количество электричества в единицу времени. Выступает производной от основных единиц СИ.

Размерность 1 Кл избыточна. Из-за того что носители отталкиваются друг от друга, их сложно удержать в небольшом теле, хотя сам по себе ток в 1А небольшой, если он протекает в проводнике. Например, в той же лампе накаливания на 100 Вт течет ток в 0,5 А, а в электрообогревателе и больше 10 А. Такая сила (1 Кл) примерно равна действующей на тело массой 1 т со стороны земного шара.

Вы могли заметить, что формула практически такая же, как и в гравитационном взаимодействии, только если в ньютоновской механике фигурируют массы, то в электростатике — заряды.

Формула Кулона для диэлектрической среды

Коэффициент с учетом величин системы СИ определяется в Н 2 *м 2 /Кл 2 . Он равен:

Во многих учебниках этот коэффициент можно встретить в виде дроби:

Здесь Е₀= 8,85*10-12 Кл2/Н*м2 — это электрическая постоянная. Для диэлектрика добавляется E — диэлектрическая проницаемость среды, тогда закон Кулона может применяться для расчетов сил взаимодействия зарядов для вакуума и среды.

С учетом влияния диэлектрика имеет вид:

Отсюда мы видим, что введение диэлектрика между телами снижает силу F.

Как направлены силы

Заряды взаимодействуют друг с другом в зависимости от их полярности — одинаковые отталкиваются, а разноименные (противоположные) притягиваются.

Это главное отличие от подобного закона гравитационного взаимодействия, где тела всегда притягиваются. Силы направлены вдоль линии, проведенной между ними, называют радиус-вектором. В физике обозначают как r₁₂ и как радиус-вектор от первого ко второму заряду и наоборот. Силы направлены от центра заряда к противоположному заряду вдоль этой линии, если заряды противоположны, и в обратную сторону, если они одноименные (два положительных или два отрицательных). В векторном виде:

Сила, приложенная к первому заряду со стороны второго обозначается как F_12.Тогда в векторной форме закон Кулона выглядит следующим образом:

Для определения силы приложенной ко второму заряду используются обозначения F₂₁и R₂₁.

Если тело имеет сложную форму и при этом достаточно большое, что при заданном расстоянии не может считаться точечным, тогда его разбивают на маленькие участки и считают каждый участок как точечный заряд. После геометрического сложения всех получившихся векторов получают результирующую силу. Атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом по этому же закону.

Применение на практике

Работы Кулона важны в электростатике, на практике они применяется в целом ряде изобретений и устройств. Ярким примером можно выделить молниеотвод. С его помощью защищают здания и электроустановки от грозы, предотвращая тем самым пожар и выход из строя оборудования. Когда идет дождь с грозой, на земле появляется индуцированные заряды большой величины, они притягиваются в сторону облака. Получается так, что на поверхности земли появляется большое электрическое поле. Возле острия молниеотвода оно имеет большую величину, в результате этого от острия зажигается коронный разряд (от земли, через молниеотвод к облаку).

Заряд от земли притягивается к противоположному заряду облака, согласно закону Кулона. Воздух ионизируется, а напряженность электрического поля уменьшается вблизи конца молниеотвода. Таким образом, заряды не накапливаются на здании, снижая вероятность удара молнии. Если удар в здание все же произойдет, то через молниеотвод вся энергия уйдет в землю.

В серьезных научных исследованиях применяют величайшее сооружение 21 века – ускоритель частиц. В нём электрическое поле выполняет работу по увеличению энергии частицы. Рассматривая эти процессы с точки зрения воздействия на точечный заряд группой зарядов, тогда все соотношения закона оказываются справедливыми.

В чем измеряется закон Кулона

Измерение силы взаимодействия между зарядами в законе Кулона производится в ньютонах (Н).

Константа кулона Kв СИ (Международная система единиц) имеет размерность «ньютон квадратный метр на квадратный кулон», которая обычно записывается как N * m^2 / C^2. В СИ значение этой константы равно 8.9875 x 10^9 N * m^2 / C^2.

K в электростатике

Константа K в электростатике — крайне важный параметр, определяющий силу взаимодействия между двумя зарядами.В СИ ее значение равно 8.9875×109 Н⋅м2/С2 8.9875 × 1 0 9 Н ⋅ м 2 / С 2 . Изменение этой константы, даже на незначительные величины, могло бы привести к существенным изменениям во всей электродинамике и даже в структуре вещества. Она играет ключевую роль в многих электростатических расчетах, включая проектирование и анализ электронных схем, электромагнитных полей и даже в применении ускорителей частиц.

Физический смысл закона Кулона

Закон Кулона не просто формула; он имеет глубокий физический смысл. Этот закон описывает фундаментальное взаимодействие между электрически заряженными частицами и является базовым для понимания множества явлений в природе. От работы электронных устройств до биоэлектрических процессов в организме — везде можно увидеть проявление этого закона. Так, например, в ускорителях частиц заряженные частицы ускоряются за счет электрических полей, созданных другими заряженными частицами, и все это можно рассчитать и предсказать, используя закон Кулона.

Рекомендуем просмотреть видео, на котором предоставлено подробное объяснение Закона Кулона:

Полезное по теме:

• Закон Джоуля-Ленца
• Зависимость сопротивления проводника от температуры
• Правила буравчика
• Закон Ома простыми словами