Электрический заряд и закон Кулона

Фундаментальные основы электростатики — от природы заряда до математического описания сил взаимодействия

ФИЗИКА · ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Что такое электрический заряд?

Определение

физическая скалярная величина, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия тел (частиц).

Два типа зарядов

Положительные (+) и отрицательные (−). Заряды одного знака отталкиваются, противоположных — притягиваются.

Элементарный заряд

Минимальный заряд в природе — заряд электрона: e = −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Любой макроскопический заряд кратен этому значению.

КЛЮЧЕВОЕ ПОНЯТИЕ

Точечный заряд

Точечный заряд — это заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других зарядов.

Эта абстракция — фундамент строгой математической модели электростатики. Она позволяет описывать взаимодействие без учёта формы и размеров тел.

Закон сохранения электрического заряда

Формулировка

В замкнутой системе алгебраическая сумма всех электрических зарядов остаётся неизменной независимо от происходящих внутри процессов.

Физический смысл

Заряды не возникают из ниоткуда и не исчезают бесследно. При любом взаимодействии суммарный заряд системы сохраняется.

Это один из фундаментальных законов природы, наряду с законами сохранения энергии и импульса.

Взаимодействие заряженных тел

Одноимённые заряды

Взаимно отталкиваются. Сила направлена от другого заряда вдоль соединяющей их прямой.

Разноимённые заряды

Взаимно притягиваются. Сила направлена к другому заряду по той же линии.

Природа сил

Кулоновские (электростатические) силы — центральные, действуют вдоль линии, соединяющей заряды.

ИСТОРИЯ НАУКИ

Шарль Огюстен Кулон

(1736-1806)

Французский физик и инженер, который в 1785 году экспериментально установил закон электростатики. Использовал крутильные весы для измерения микроскопических сил — электрического отталкивания/притяжения и магнитного взаимодействия, а также для изучения сил трения. С их помощью в 1785 году он экспериментально установил фундаментальный закон взаимодействия электрических зарядов

Наследие

Единица измерения заряда в СИ — Кулон (Кл) — названа в его честь.

Формулировка закона Кулона

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

По линии, соединяющей

Обратно r²

Пропорциональна q₁·q₂

Закон Кулона — основа количественного описания электростатических явлений.

Математический аппарат закона

Формула

k = 9 · 10⁹ Н·м²/Кл² — коэффициент пропорциональности

ε — диэлектрическая проницаемость среды (для вакуума ε = 1)

r — расстояние между зарядами

Ключевой вывод

Сила убывает с расстоянием по квадратичному закону: увеличение расстояния вдвое ослабляет силу в 4 раза.

Это делает кулоновские силы дальнодействующими, но быстро затухающими с расстоянием.

Важные особенности кулоновских сил

1

Третий закон Ньютона

Силы взаимодействия двух зарядов равны по модулю и противоположны по направлению: F₁₂ = −F₂₁. Они образуют пару действия и противодействия.

2

Применимость к шарам

Закон работает не только для точечных зарядов, но и для равномерно заряженных сфер — при условии, что расстояние измеряется между их центрами.

3

Суперпозиция сил

Если зарядов несколько, результирующая сила на каждый заряд равна векторной сумме сил со стороны всех остальных зарядов.