Принцип Кулона простыми словами: формула, описание, практическое применение и его значение

Ниже мы объясним простыми словами, что такое правило и закон Кулона и где они применяются.

Содержание

Принцип Кулона простыми словами: формула, описание, практическое применение и его значение

В физике есть раздел, изучающий электрические разряды и их взаимодействие с электрическим полем в состоянии покоя, и называется он электростатикой. В этой главе основным принципом оказывается правило Кулона.

Это правило используется для определения силы, с которой взаимодействуют два покоящихся электрических заряда, или расстояния одного заряда от другого. Закон Кулона ни от чего не зависит и ни от чего не зависит. Это фундаментальный закон. Таким образом, тип рассматриваемого объекта не влияет на силу и ее значение.

Ниже мы объясним простыми словами, что такое правило и закон Кулона и где они применяются.

¯left(|q| ; |Q|) ¯left( ¯textПоля являются величинами зарядов;

Закон Кулона для зарядов в вакууме

Рассмотрим два точечных заряда в вакууме (рис. 2).

На рисунке 2 сила F ) – это сила, с которой положительный заряд Q отталкивает другой положительный заряд q. А сила ∆F_ _) принадлежит заряду q, это сила, с которой он отталкивает заряд Q.

Примечание: Точечный заряд – это заряженное тело, размером и формой которого можно пренебречь.

Силы взаимодействия зарядов, согласно третьему закону Ньютона, равны по величине и противоположны по направлению. Поэтому для простоты мы можем ввести условные обозначения:

F_ = F_ = F]

Для силы взаимодействия зарядов в вакууме Шарль Кулон сформулировал закон следующим образом:

Два точечных заряда в вакууме
взаимодействуют с силой
прямо пропорциональный
на произведение величин зарядов
и обратно пропорционально
квадрату расстояния между ними.

Формула этого закона в математике записывается следующим образом:

F (слева) – это сила, с которой два точечных заряда притягиваются или отталкиваются друг от друга;

F (левая часть) – это сила притяжения или отталкивания между двумя точечными зарядами; FF – это величина первого заряда;

(q| left( text(|q| text) – величина второго заряда;

(Q) left( text¯ – расстояние между двумя точечными зарядами;

¯ – это константа, коэффициент в системе СИ;

Сила – это вектор. Две основные характеристики вектора – это его длина и направление.

Формула позволяет найти одну из характеристик вектора F – модуль (длину) вектора.

Чтобы найти второе свойство вектора F – его направление, мы должны использовать принцип: представьте, что мы соединяем два неподвижных точечных заряда прямой линией. Сила, с которой они взаимодействуют, будет направлена вдоль этой прямой.

Кулоновская сила является центральной силой, поскольку она направлена вдоль прямой, соединяющей центры тел.

Примечание: Другим примером центральной силы является гравитационная сила.

Что такое k-фактор с точки зрения физики?

Константа, входящая в формулу для силы взаимодействия зарядов, имеет такой физический смысл:

k – это сила, с которой два положительных точечных заряда массой 1 Кл отталкиваются друг от друга, когда расстояние между ними равно 1 метру.

Значение константы k равно девяти миллиардам!

Это означает, что заряды взаимодействуют друг с другом с большими силами.

Константу k можно рассчитать экспериментально, поместив два известных заряда (не обязательно по 1 Кулону каждый) на удобное для измерения расстояние (не обязательно 1 метр) и измерив силу их взаимодействия.

В эту формулу мы подставляем известные величины зарядов, расстояние между ними и измеренную силу:

Значение k связано с электрической постоянной ∆varepsilon по этой формуле:

Поэтому дробь в правой части этой формулы можно найти в различных учебниках физики, где она заменяет коэффициент k.

Закон Кулона действителен для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел намного меньше расстояния между ними.

Закон Кулона

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Это фундаментальный закон, т.е. он установлен опытным путем и не вытекает ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для стационарных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но заряды, размеры которых намного меньше расстояния между ними, можно считать таковыми. Сила взаимодействия в воздухе почти такая же, как сила взаимодействия в вакууме (она меньше тысячной доли слабой).

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел взаимодействовать с электромагнитными силами.

Кулоновские эксперименты позволили измерить взаимодействие между сферами, размеры которых намного меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечные заряды. 9 ¯) – коэффициент пропорциональности в законе Кулона

Силы взаимодействия следуют третьему закону Ньютона: ∆vec_=vec_ ) . Это отталкивающие силы для одинаковых знаков заряда и притягивающие силы для разных знаков.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .

Обобщение всех известных экспериментальных фактов приводит к следующим выводам:

Существует два типа электрических зарядов, условно называемых положительным и отрицательным зарядами.

Заряды могут быть переданы (напр. путем прямого контакта) от одного тела к другому. В отличие от массы тела, электрический заряд не является неотъемлемым свойством этого тела. Одно и то же тело может иметь разный заряд в разных условиях.

Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные заряды притягиваются. В этом также заключается фундаментальное различие между электромагнитными и гравитационными силами. Гравитационные силы всегда являются притягивающими силами.

Взаимодействие статических электрических зарядов называется электростатическим или кулоновским взаимодействием. Ветвь электродинамики, которая занимается изучением кулоновского взаимодействия, называется электростатикой.

Закон Кулона действителен для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел намного меньше расстояния между ними.

Обратите внимание, что для того, чтобы закон Кулона был действителен, необходимы три условия:

• Точка заряда – То есть, расстояние между заряженными телами намного больше, чем их размеры.
• Неподвижность зарядов. В противном случае возникают дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд.
• Взаимодействие зарядов в вакууме.

В Международной системе зарядов единицей заряда является кулон (Cl) .

Кулон – это заряд, который проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока 1 А. Единица СИ – сила тока (ампер) – является основной единицей измерения наряду с единицами длины, времени и массы.

Проведя серию экспериментов, аналогичных нашим, Кулон обнаружил, что модуль силы между двумя заряженными шариками обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам из комплекта, вы должны добавить его в свой личный кабинет через покупку в каталоге.

Получите удивительные возможности

Конспект урока “Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона”.

Эксперименты французского физика Шарля Дюфе показали, что тела с зарядами противоположного знака притягиваются друг к другу, а тела с зарядами одинакового знака отталкиваются друг от друга. Сила взаимодействия между наэлектризованными телами сложным образом зависит от формы наэлектризованных тел и характера распределения заряда на них. Только для точечных зарядов закон взаимодействия записывается в довольно простой форме.

Точечным зарядом будем называть такое заряженное тело, размеры которого существенно меньше расстояния этого тела от точки наблюдения и от других тел (т. е. размерами заряженного тела в условиях задачи можно пренебречь).

Точечный заряд – это идеальная физическая модель заряда в электростатике (так же, как материальная точка в механике и идеальный газ в молекулярной физике).

Так, в 1785 году французский физик Шарль Огюстен де Кулон первым опубликовал результаты своих исследований по взаимодействию неподвижных точечных зарядов. Идея его экспериментов была похожа на эксперимент Генри Кавендиша по определению плотности Земли (напомним, что эти данные позже были использованы для определения гравитационной постоянной, которая является частью закона Ньютона о всеобщем тяготении).

Как вы уже догадались, Кулон использовал в своих экспериментах торсионные весы особой конструкции. Это были два стеклянных цилиндра, из которых откачивался воздух. Внутри цилиндров на тонкой серебряной нити был подвешен легкий непроводящий луч. На одном конце луча находился проводящий шар, а на другом – противовес (обычно бумажный). Шарик на штанге можно зарядить точно таким же проводящим шариком, прикрепленным к изолирующей штанге, которая прикреплена к крышке нижнего цилиндра. Когда шарики соприкасаются, заряд равномерно распределяется между ними, и шарики отталкиваются друг от друга. По углу закручивания нити можно определить силу, с которой взаимодействуют шарики. Торсионный микрометр позволяет экспериментатору дополнительно скручивать проволоку на точно определенную величину, уменьшая или, наоборот, увеличивая угол скручивания. Таким образом, можно измерить упругость и расстояние между зарядами в нескольких положениях равновесия.

Проведя серию экспериментов, аналогичных нашим, Кулон обнаружил, что модуль силы между двумя заряженными шариками обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:

Следующим шагом было определение зависимости силы взаимодействия от заряда. Разряжая движущийся шар, касаясь его рукой, а затем прикасаясь к уже заряженному шару, Кулон смог получить на нем заряды, модуль которых был в 2, 4, 8 и так далее раз меньше первоначального. Он узнал, что на фиксированном расстоянии модуль сил взаимодействия двух неподвижных заряженных тел прямо пропорционален произведению модулей электрических зарядов каждого из них:

Обобщив результаты своих экспериментов, ученый пришел к выводу, что Модули сил взаимодействия двух неподвижных, точечно заряженных тел в вакууме прямо пропорциональны произведению модулей зарядов этих тел и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Интересно, что Генри Кавендиш пришел к точно такому же выводу в 1771 году. Однако результаты его экспериментов не были опубликованы и долгое время оставались неизвестными. Кавендишские рукописи были переданы Джеймсу Максвеллу только в 1874 году.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов мы будем называть кулоновским или электростатическим взаимодействием, а возникающие силы – кулоновскими силами.

Согласно третьему закону Ньютона, эти силы направлены в противоположные стороны вдоль линии, соединяющей взаимодействующие заряды. Другими словами, Кулоновские силы – это центральные силы.

Коэффициент пропорциональности, содержащийся в законе Кулона, зависит от выбора системы единиц измерения. В Международной системе зарядов единицей заряда является кулон (Кл). Вспомните, что Один кулон – это заряд, который проходит через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А.

Значение одного ампера определяется таким образом, что коэффициент “ка” приблизительно равен девяти умноженным на десять в девятой степени ньютонам, умноженным на квадратный метр и разделенным на квадрат кулонов:

Также очень часто можно встретить коэффициент пропорциональности, написанный таким образом:

Здесь ε₀ – это электрическая постоянная, значение которой мы сейчас видим на экране:

Закон Кулона можно записать следующим образом:

Обратите внимание, что закон Кулона справедлив не только для неподвижных точечных зарядов, но и для заряженных сфер на любом расстоянии между их центрами.

Эксперименты показали, что взаимодействие электрически заряженных тел в вакууме практически не отличается от их взаимодействия в воздухе. Поэтому эта формула используется для описания взаимодействия заряженных тел как в вакууме, так и в воздухе.

Однако если заряженное тело находится в воде, парафине, масле или любой другой непроводящей среде, модуль сил взаимодействия будет в ε раз меньше, чем в вакууме:

Это значение называется диэлектрическая проницаемость среды. Он показывает, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

В качестве примера, давайте решим эту проблему с вами. Два одинаковых шарика с зарядами 10 нКл и 90 нКл находятся в воздухе. Шарики приводятся в контакт и разделяются путем помещения их в жидкий диэлектрик. Определите его диэлектрическую проницаемость, если сила взаимодействия между шарами не изменится.

В заключение отметим, что сила взаимодействия двух точечных зарядов не меняется при появлении третьего точечного заряда или любого количества точечных зарядов.

В этом случае силы каждого из зарядов, действующие на приложенный заряд, определяются законом Кулона. А результирующая сила – это векторная сумма сил, с которыми каждая из них в отдельности действует на приложенный заряд. И в этом это принцип суперпозиции..

Используя его и закон Кулона, можно описать электростатическое взаимодействие любой системы зарядов.

Прямая пропорциональность – это связь между двумя величинами, при которой одна величина зависит от другой так, что их соотношение остается неизменным. Такие величины называются прямо пропорциональными или просто пропорциональными.

Где закон Кулона применяется на практике

Фундаментальный закон электростатики – важнейшее открытие Шарля Кулона, которое нашло применение во многих областях.

Работы знаменитого физика были использованы в процессе изобретения различных приборов, инструментов, аппаратов. Например, молниеотвод.

Молниеотводы защищают дома и здания от ударов молнии во время грозы. Это повышает степень защиты электрооборудования.

Молниеотводы работают по следующему принципу: во время грозы на земле постепенно накапливаются сильные индуктивные заряды, которые поднимаются вверх и притягиваются облаками. Это создает большое электрическое поле на земле. Вблизи молниеотвода электрическое поле становится сильнее, так что от наконечника устройства зажигается коронообразный электрический заряд.

Затем заряд, созданный на земле, притягивается к заряду облака с противоположным знаком, как и должно быть согласно закону Шарля Кулона. Затем воздух подвергается процессу ионизации, и напряженность электрического поля становится ниже вблизи конца молниеотвода. Это сводит к минимуму риск попадания молнии в здание.

Обратите внимание! Если в здание, на котором установлен молниеотвод, ударит молния, пожара не произойдет, а вся энергия уйдет в землю.

На основе закона Кулона было разработано устройство под названием “ускоритель частиц”, которое сейчас пользуется большим спросом.

Это устройство создает сильное электрическое поле, которое увеличивает энергию попадающих в него частиц.

Концепция электрического поля также основана на знании кулоновской силы. Было доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака – это не что иное, как скопление электрических зарядов. Они притягивают индуцированные заряды из земли, что вызывает молнию. Это открытие позволило создать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электроустановок.

На основе электростатики было создано множество изобретений:

• конденсатор;
• различные диэлектрики;
• антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
• Защитная одежда для работников электронной промышленности и многих других.

Закон Кулона является основой для работы ускорителей заряженных частиц, в частности Большого адронного коллайдера

Рисунок 4: Большой адронный коллайдер

Заряженные частицы ускоряются до скоростей, близких к скорости света, под действием электромагнитного поля, создаваемого катушками, расположенными вдоль дорожки. В результате столкновения происходит распад элементарных частиц, следы которого регистрируются электронными приборами. На основе этих изображений, используя закон Кулона, ученые делают выводы о структуре элементарных компонентов материи.

Зная, что электричество существует уже тысячи лет, человек начал изучать его с научной точки зрения только в 18 веке. (Интересно, что те же ученые того времени, которые работали над этой проблемой, выделили электричество в отдельную от физики науку и назвали себя “электриками”). Одним из первооткрывателей электричества был Шарль Огюстен де Кулон. После тщательного изучения сил взаимодействия между телами с различными электростатическими зарядами он сформулировал закон, который теперь носит его имя. В основном его эксперименты проходили следующим образом: различные электростатические заряды передавались двум маленьким шарикам, подвешенным на тончайших нитях, после чего суспензии с шариками сближались. Когда шарики поднесли близко друг к другу, они начали притягиваться друг к другу (с противоположными полярностями). Поляризация электрических зарядов) или отталкивания (в случае униполярных зарядов). В результате нити отклонялись от вертикали на достаточно большой угол, при котором силы электростатического притяжения или отталкивания уравновешивались силами земного притяжения. Измерив угол отклонения, зная массу сфер и длину подвесов, Кулон рассчитал силы электростатического взаимодействия при различных расстояниях сфер друг от друга и вывел из этих данных эмпирическую формулу:

Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Явление электростатического притяжения было известно еще древнегреческим ученым до нашей эры. Они знали, например, что если потереть янтарь кошачьей шерстью, а стекло – шелком, то они будут притягиваться друг к другу. Кроме того, они знали, что с помощью таких предметов могут взаимодействовать другие объекты: например, если наэлектризованный янтарь коснется пробковой крошки, то он оттолкнет другие пробковые крошки, к которым прикасался янтарь, и притянется к крошкам, к которым прикасалось стекло. Сегодня мы знаем, что подобное притяжение и отталкивание является проявлением статическое электричество. Электростатические явления мы наблюдаем и в повседневной жизни, когда, например, нам приходится буквально отдирать свежевыстиранную и высушенную одежду, или когда мы не можем разобраться с наэлектризованными и буквально вьющимися волосами.

Электростатика в современном понимании начинается с осознания того, что такое поведение (притяжение или отталкивание), наблюдаемое древними греками, является следствием существования в природе двух типов электрического заряда – положительного и отрицательного. В атоме они разделены. Положительные заряды сосредоточены в атомном ядре и переносятся протонами, а электроны, которые несут отрицательные заряды, распределены вокруг ядра (см. Атом Бора). Американский государственный деятель и ученый Бенджамин Франклин (1706-1790) первым выдвинул тезис о том, что в природе существует только два типа электрического заряда и что только они ответственны за все наблюдаемые нами электростатические явления, такие как описанные выше.

Говоря современным языком, он рассуждал так: если удалить из вещества часть отрицательно заряженных электронов, оно останется положительно заряженным, поскольку в нормальном состоянии отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядер. Однако если к веществу в его нормальном состоянии добавить дополнительные электроны, оно приобретет отрицательный заряд.

Зная, что электричество существует уже тысячи лет, люди начали изучать его с научной точки зрения только в 18 веке. (Интересно, что ученые той эпохи, изучавшие эту проблему, выделяли электричество как отдельную науку из физики и называли себя “электриками”). Одним из первооткрывателей электричества был Шарль Огюстен де Кулон. После тщательного изучения сил взаимодействия между телами, имеющими различные электростатические заряды, он сформулировал закон, который теперь носит его имя. В основном его эксперименты проходили следующим образом: различные электростатические заряды передавались двум маленьким шарикам, подвешенным на тончайших нитях, после чего суспензии с шариками приближали друг к другу.

Когда шарики подошли достаточно близко, они притянулись друг к другу (с противоположными полярностями). Поляризация заряды) или отталкиваются (в случае униполярных зарядов). В результате нити отклонялись от вертикали на достаточно большой угол, при котором силы электростатического притяжения или отталкивания уравновешивались силами гравитационного притяжения. Измерив угол отклонения, зная массу шаров и длину подвесов, Кулон рассчитал силы электростатического взаимодействия при различных расстояниях шаров друг от друга и на основе этих данных вывел эмпирическую формулу

F = kQq/ D 2

где Q и qэто значения электростатических зарядов,

D – расстояние между ними, и k – экспериментально определенный Постоянная Кулона.

Мы сразу же замечаем два интересных момента в законе Кулона. Во-первых, в своей математической форме он повторяет закон всемирного тяготения Ньютона, если в последнем заменить массы зарядами, а постоянную Ньютона – постоянной Кулона. И в этом сходстве есть много правильного. Согласно современной квантовой теории поля, как электрические, так и гравитационные поля возникают, когда физические тела обмениваются элементарными частицами, несущими энергию, лишенными массы покоя. фотоны или гравитоны соответственно. Таким образом, несмотря на кажущееся различие в природе гравитации и электричества, эти две силы имеют много общего.

Второй важный момент касается постоянной Кулона. Когда шотландский физик-теоретик Джеймс Кларк Максвелл вывел систему уравнений Максвелла для общего описания электромагнитных полей, оказалось, что постоянная Кулона напрямую связана со скоростью света с. Наконец, Альберт Эйнштейн показал, что с играет роль фундаментальной мировой константы в теории относительности. Таким образом, можно проследить, как самые абстрактные и универсальные теории современной науки развивались шаг за шагом, вбирая в себя более ранние результаты, начиная с простых выводов, сделанных на основе настольных физических экспериментов.

м>кл>кл>кл>

Читайте далее:

• 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
• Молния – как она работает? Принцип работы, инструкция по монтажу!.
• Как и откуда берутся молнии: типы, физическая природа, причины. Физика атмосферы.
• Многоликий протон.
• Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
• Значение слова ЗАРЯД. Что такое ЗАРЯД?.
• Что такое электричество и кто его изобрел?.

Закон Кулона • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами пропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Явление электростатического притяжения еще до нашей эры было известно древнегреческим ученым. Они знали, например, что если потереть янтарь кошачьей шерстью, а стекло шелком, то между ними возникают силы притяжения. Кроме того, им было известно, что при помощи таких предметов можно заставить воздействовать друг на друга и другие предметы: например, если прикоснуться наэлектризованным янтарем к пробковой крошке, она будет отталкиваться от других пробковых крошек, к которым прикасались янтарем, и притягиваться к крошкам, к которым прикасались стеклом. Сегодня мы знаем, что подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Мы наблюдаем электростатические явления и в повседневной жизни, когда, например, нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы.

Электростатика в современном понимании начинается с осознания того, что подобное поведение (притяжение или отталкивание), наблюдавшееся еще древними греками, является следствием существования в природе двух видов электрических зарядов — положительных и отрицательных. В атоме они разделены. Положительные заряды сосредоточены в атомном ядре — их носителями являются протоны, а электроны, являющиеся носителями отрицательных зарядов, расположены вокруг ядра (см. Атом Бора). Первым идею о том, что в природе существует только два типа электрических зарядов, и только они ответственны за все наблюдаемые нами электростатические явления, подобные вышеописанным, высказал американский государственный деятель и ученый Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706–1790). Выражаясь современным языком, его рассуждения сводились к тому, что если удалить часть отрицательно заряженных электронов из вещества, оно останется положительно заряженным, поскольку в нормальном состоянии именно отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядер. Если же к веществу в нормальном состоянии добавить дополнительные электроны, оно приобретет отрицательный заряд.

Зная о существовании электричества на протяжении тысяч лет, человек приступил к его научному изучению лишь в XVIII веке. (Интересно, что сами ученые той эпохи, занявшиеся этой проблемой, выделяли электричество в отдельную от физики науку, а себя именовали «электриками».) Одним из ведущих первоисследователей электричества явился Шарль Огюстен де Кулон. Тщательно исследовав силы взаимодействия между телами, несущими на себе различные электростатические заряды, он и сформулировал закон, носящий теперь его имя. В основном свои эксперименты он проводил следующим образом: различные электростатические заряды передавались двум маленьким шарикам, подвешенным на тончайших нитях, после чего подвесы с шариками сближались. При достаточном сближении шарики начинали притягиваться друг к другу (при противоположной полярности электрических зарядов) или отталкиваться (в случае однополярных зарядов). В результате нити отклонялись от вертикали на достаточно большой угол, при котором силы электростатического притяжения или отталкивания уравновешивались силами земного притяжения. Замерив угол отклонения и зная массу шариков и длину подвесов, Кулон рассчитал силы электростатического взаимодействия на различном удалении шариков друг от друга и на основе этих данных вывел эмпирическую формулу:

F = kQq/D²

где Q и q —величины электростатических зарядов, D — расстояние между ними, а k — экспериментально определяемая постоянная Кулона.

Сразу отметим два интересных момента в законе Кулона. Во-первых, по своей математической форме он повторяет закон всемирного тяготения Ньютона, если заменить в последнем массы на заряды, а постоянную Ньютона, на постоянную Кулона. И для этого сходства есть все причины. Согласно современной квантовой теории поля и электрические, и гравитационные поля возникают, когда физические тела обмениваются между собой лишенными массы покоя элементарными частицами-энергоносителями — фотонами или гравитонами соответственно. Таким образом, несмотря на кажущееся различие в природе гравитации и электричества, у двух этих сил много общего.

Второе важное замечание касается постоянной Кулона. Когда шотландский физик-теоретик Джеймс Кларк Максвелл вывел систему уравнений Максвелла для общего описания электромагнитных полей, выяснилось, что постоянная Кулона напрямую связана со скоростью света с. Наконец, Альберт Эйнштейн показал, что с играет роль фундаментальной мировой константы в рамках теории относительности. Таким образом можно проследить, как самые абстрактные и универсальные теории современной науки поэтапно развивались, впитывая в себя ранее полученные результаты, начиная с простых выводов, сделанных на основе настольных физических опытов.

18.3: Закон Кулона — Физика LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

2537

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Сформулировать закон Кулона с точки зрения того, как электростатическая сила изменяется с расстоянием между двумя объектами.
• Рассчитайте электростатическую силу между двумя заряженными точечными силами, такими как электроны или протоны.
• Сравните электростатическую силу с гравитационным притяжением для протона и электрона; для человека и Земли.

Благодаря работам ученых конца 18 века основные черты электростатическая сила — существование двух типов зарядов, наблюдение, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные заряды притягиваются, и уменьшение силы с расстоянием — в конце концов были уточнены и выражены в виде математической формулы. Математическая формула электростатической силы называется

законом Кулона в честь французского физика Шарля Кулона (1736–1806), который провел опыты и первым предложил формулу для ее расчета.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): На этом изображении Arp 87, сделанном НАСА, показан результат сильного гравитационного притяжения между двумя галактиками. Напротив, на субатомном уровне электростатическое притяжение между двумя объектами, такими как электрон и протон, намного больше, чем их взаимное притяжение из-за гравитации. {16}\). ). Никогда не было найдено никаких исключений, даже на малых расстояниях внутри атома.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Величина электростатической силы\(F\) между точечными зарядами \(q_{1}\) и \(q_{2}\), разделенными расстоянием \(r\ ) определяется законом Кулона. Обратите внимание, что третий закон Ньютона (каждая приложенная сила создает равную и противоположную силу) применяется как обычно — сила, действующая на \(q_{1}\), равна по величине и противоположна по направлению силе, действующей на \(q_{2 }\). а) Подобные обвинения. (b) В отличие от обвинений.

Пример \(\PageIndex{1}\): Насколько велика сила Кулона по отношению к силе гравитации? 9{39}. \номер\]

Обсуждение

Это удивительно большое соотношение! Обратите внимание, что это будет отношение электростатической силы к гравитационной силе для электрона и протона на любом расстоянии (определение отношения перед вводом числовых значений показывает, что расстояние сокращается). Это отношение дает некоторое представление о том, насколько больше кулоновская сила, чем гравитационная сила между двумя наиболее распространенными в природе частицами.

Как видно из примера, гравитационная сила совершенно незначительна в малых масштабах, где важны взаимодействия отдельных заряженных частиц. В больших масштабах, например, между Землей и человеком, верно обратное. Большинство объектов почти электрически нейтральны, поэтому они привлекательны и отталкивают 9{2}\)

Эта кулоновская сила чрезвычайно важна, поскольку большинство зарядов связано с точечными частицами. Он отвечает за все электростатические эффекты и лежит в основе большинства макроскопических сил.

Сила Кулона необычайно сильна по сравнению с силой гравитации, другой базовой силой, но в отличие от силы гравитации она может нейтрализоваться, поскольку может быть либо притягивающей, либо отталкивающей.

Электростатическая сила между двумя субатомными частицами намного больше, чем гравитационная сила между теми же двумя частицами.

Глоссарий

Закон Кулона

математическое уравнение, вычисляющее вектор электростатической силы между двумя заряженными частицами

Сила Кулона

другой термин для обозначения электростатической силы

электростатическая сила

величина и направление притяжения или отталкивания между двумя заряженными телами

---

Эта страница под названием 18. 3: Закон Кулона распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Программа OER или Publisher

   ОпенСтакс

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. Кулоновская сила
   2. Закон Кулона
   3. электростатическая сила
   4. источник@https://openstax. org/details/books/college-physics

Общая физика II

Помните, В отличие от зарядов притягиваются,

или

и ПОДОБНЫЕ заряды отталкивают,

или

Что определяет величину этой электрической силы F?

Сила F прямо пропорциональна зарядам Q и д,

Ф Вопрос

Сила F обратно пропорциональна квадрат расстояние г между обвинениями,

Ф 1 / р ²

Ф 1 / р ²

Ф 1 / р ²

Мы можем объединить их как

Ф Q к/р ²

Пока пропорциональность ар хорош для качественных дискуссий и сравнений, уравнений много легче использовать для расчетов. Мы можем изменить это на уравнение с константа соразмерность , k.

F = kQq/r ²

Эта константа пропорциональности k зависит от единиц мы используем. Если мы измеряем силу F в ньютонах (Н), расстояние r в метрах (м), а заряжает Q и q в кулонах (Кл), то k имеет значение из

к = 9 х 10 ⁹ Н м ² /С ²

Теперь мы должны спросить, что такое кулон заряда, в любом случае?

Электрический заряд электрона или протона обозначен e и равен . . .

Закон Кулона описывает силу F между двумя электрическими заряды, Q и q, на расстоянии r друг от друга,

Какова сила между двумя положительными зарядами, 1 С и 2 С, когда их разделяет расстояние 1 м?

Помните, сила — это вектор . Закон Кулона позволяет нам рассчитать величину электрической силы, но мы должны еще имейте ввиду что сила это вектор!

Пример Кулона Закон

Мы также когда-нибудь запишем эту «постоянную Кулона» как

, где «эпсилон-ноль»

и известен как «диэлектрическая проницаемость свободного пространства». Что имя звучит более зловеще, чем нужно. Это просто еще одна форма «постоянной Кулона» — и ничего больше! Там основные ситуации или основные уравнения, в которых мы получаем фактор

, что тогда удобнее записать как

---

Возможно, вы смотрели на Cavendish Balance, когда Вы говорили о гравитации. Кавендиш использовал очень деликатный весы для измерения невероятно малых сил. Кулон при измерении электрические силы, имели большие силы для работы.