Значение открытия фундаментального закона Кулона просто невозможно переоценить, ведь на этой базе строится вся электроника, поэтому знать и тем более понимать его просто нужно любому современному человеку. В этой статье я постараюсь максимально просто объяснить саму суть закона, так что усаживайтесь поудобней и начнем.
Историческая справка
Справедливости ради хочу сказать, что взаимодействия электрических зарядов наблюдали многие ученые и экспериментаторы еще до Ш. Кулона. Так, например, англичанин Кавендиш так же после череды экспериментов пришел к выводу, что неподвижные заряды взаимодействуют согласно определенному закону, но свои выводы он так и не обнародовал.
Кроме этого исследованиями в этой области занимались:
1. Г.В. Рихман
2. Ф. Эпинус
3. Д. Бернулли
4. Д. Робинсон
На самом деле этот список можно продолжать долго и все эти ученые были близки к открытию, но не сумели математически выразить свои догадки.
Кулон так же проводил скрупулезные измерения. И для своих опытов изобрел специальные крутильные весы.
Созданная конструкция обладала высокой чувствительностью и реагировала на силы порядка 10 -9 Ньютон. При приложении столь малой силы коромысло поворачивалось ровно на 1 градус. В результате этого, вычисляя угол поворота, можно было измерить приложенную силу.
Так же Кулон выдвинул идею, которая заключалась в том, что во время соприкосновения заряженного шара с незаряженным шаром заряд распределялся между ними поровну. На это действие реагировал прибор, поворачивая коромысло на некий угол.
При этом заземляя жестко зафиксированный шар, Кулон нивелировал в нем заряд. Повторяя процесс перераспределения и снятия заряда, экспериментатор уменьшал изначальный заряд незафиксированного шара кратное число раз.
Вычисляя угол отклонения после каждого такого распределения, ученый обнаружил закономерность в действии отталкивающей силы. Это и дало толчок в формулировании знаменитого закона.
Формулируем закон
Теперь давайте сформулируем закон Кулона:
Кулон осуществлял эксперименты со сферами ничтожно малых размеров в сравнении с расстояниями между ними. Такие тела в физике еще именуют точечными. И в результате было сформировано следующее определение:
В вакууме сила взаимодействия двух заряженных тел прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Как по мне не совсем понятно, хоть и кратко. Более понятно можно сформулировать так:
Чем большим зарядом обладают тела и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше сила. А если расстояние между этими телами увеличить, то сила станет меньше.
Математически формулировка выражена так:
А векторы силы направлены друг к другу, если заряды разноименные и друг от друга, если заряды одноименные.
Для работы закона нужно соблюдение ряда очень важных условий:
1. Должно быть соблюдено условие точечности зарядов.
2. Заряженные тела должны быть неподвижны.
3. Закон действителен для вакуума и воздушной среды.
Если вы внимательно посмотрите на картинку с формулой, то увидите «К» - коэффициент пропорциональности, давайте поговорим о нем несколько подробнее.
Коэффициент пропорциональности
Данный коэффициент «К» необходим для согласования соразмерностей в СИ (международной системе измерений). В данной же системе за единицу измерения заряда принимают Кулон – величина заряда, протекшего через проводник при силе тока в 1 Ампер за одну секунду.
Запомните! При взаимодействии нескольких тел, обладающих определенным зарядом в замкнутой системе, суммарная сила взаимодействия будет равна векторной сумме всех заряженных тел. В данной системе заряды никуда не деваются, а постоянно передаются от одного заряженного объекта к другому.
Закон Кулона и диэлектрики
Эта формула справедлива в том случае, если заряды расположены в вакууме. В любой другой среде сила взаимодействия заряженных тел неизбежно уменьшается, так как проявляется эффект поляризации. Причем для каждой среды изменение происходит пропорционально определенной величине, которая получила название – диэлектрическая постоянная (проницаемость). Учитывая данный параметр, коэффициент проницаемости принимает вид
Ограничение в применении
Хочу особо подчеркнуть, что при особо малых расстояниях (когда взаимодействуют элементарные частицы) порядка 10 -18 метров, строго говоря, закон Кулона не работает.
Кроме этого данный закон имеет явные нарушения в сильных электромагнитных полях (10-18 В/м). В представленной среде кулоновский потенциал снижается не обратно пропорционально, а экспоненциально.
Закон Кулона - это первый количественный фундаментальный закон, обоснованный математически, и его значение очень трудно переоценить. Именно с открытия закона можно сказать, что стартовала эпоха изучения электромагнетизма.
Понравилась статья, тогда не забудьте подписаться и поставить палец вверх. Тогда вы точно не пропустите новых еще более интересных и познавательных выпусков! Спасибо за внимание!
