Среди законов физики, которые нужно знать, закон Кулона занимает особое место. Он необходим для понимания электрофизики, а заодно является и весьма значимым в изучении строения материи.
Обычно закон Кулона проходят в школе, но на практике он уходит гораздо дальше уроков физики. Давайте продолжим рубрику про школьную физику и разберем закон Кулона в понятной и доступной форме.
Закон гласит:
Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
Такую или похожую формулировку приводит любой учебник. В общем-то, всё здесь довольно просто. Но на некоторые понятия стоит обратить особое внимание.
Разжевываем закон Кулона
Частенько самым главным вопросом является "что это вообще за силы такие"? Что описываем-то? Или в чём физический смысл закона Кулона? Под силой взаимодействия зарядов понимается их взаимное притяжение или отталкивание.
Модуль силы - это величина самой силы. Сила всегда имеет направление и является векторной величиной. Нас интересует именно величина. Говоря школьным языком - циферка без минуса. С физической точки зрения это означает, что направление в широком понимании не имеет никакой значимости для работы закона Кулона.
Есть тут ещё упоминание про точечные заряды. Важно обратить на это особое внимание.
Точечный заряд - это электрический заряд, когда размер тела, на котором заряд сосредоточен, намного меньше расстояния между заряженными телами. Например, если рассмотреть заряд маленького шарика, то его можно считать точечным. В школьных задачках почти всегда речь именно про точечные заряды.
Если заряд не-точечный, то закон Кулона всё равно применим, но сильно усложняются вычисления - следует тело сложной формы разбивать на фрагменты, а потом общий результат интегрировать.
Неплохо бы тут вспомнить и что вообще такое электрический заряд?
Этот термин и появился благодаря Кулону. Если копать тут глубоко придём к тому, что физика до конца не может понять, чем является электрический заряд, как и разобраться в природе электрического тока. Но приближенно можно сказать, что это "количество электричества".
Или что это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
Так написано в учебнике, но думаю вопросов возникнуть не должно.
Дальше в законе Кулона есть формулировки типа "прямо пропорционально - обратно пропорционально". Часто ученики не понимают о чём тут речь. Нужно просто внимательно посмотреть на запись закона и станет ясно, что речь идёт про разделить-умножить.
Ещё в формуле есть коэффициент k. Где-то его добавляют, а где-то и нет. Это приводит к панике и непониманию как всё же правильно писать. Смысл коэффициента - учесть свойства среды и выбранную систему измерения. В вакууме электропроницаемость одна, а в воздухе другая. Коэффициент k будет меняться для каждого из случаев.
Глубже вникать не будем, поскольку для понимания закона Кулона остальное имеет не столь важное значение, а объем изложения сильно увеличит. Обратить внимание следует на то, что не во всех средах будет работать закон Кулона и иногда даже применение коэффициента k не позволит выйти дальше вакуума.
Среда должна быть однородной и обладать рядом свойств.
Критерием применимости закона обозначают и неподвижность рассматриваемых зарядов, поскольку если заряды перемещаются, то мы имеем дело с суммарным взаимодействием.
Сила взаимодействия системы движущихся зарядов складывается из кулоновских сил и лоренцевых сил, возникающих вследствие движения зарядов, когда движущийся заряд вызывает появление магнитного поля, взаимодействующего со вторым зарядом.
Зачем нам это знать?
Самое интересное - это где можно применить закон Кулона и для чего он вообще нужен. Мы не случайно в самом начале статьи обратили внимание на тот факт, что это базовый закон для всей физики.
Сфера применения его невероятно широка, а для квантовой физики есть своя формулировка закона Кулона, которую мы обязательно обсудим на канале.
В итоге закон Кулона является не просто описанием силы притяжения и отталкивания между зарядами, а фундаментом для изучения множества явлений.
Благодаря работе этого закона можно, например, обнаружить экспериментально новые частицы. Анализ трека их движения в вакуумной камере позволяет применить знания о Кулоновских взаимодействиях и понять что и с чем взаимодействует.
Если говорить о более "Земных" примерах - то вот вам громоотвод. Именно благодаря Кулоновским взаимодействием он позволяет "притягивать молнии".
Ещё один интересный момент, на который вы, скорее всего обратили внимание - это идентичность закона Кулона закону гравитационного взаимодействия.
Порой можно даже предположить, что это один закон с разными буковками. Почему законы так похожи можно размышлять долго и мы, пожалуй, сделаем это в отдельной статье на канале и это уже выходит за рамки школьной физики. Вероятно, корни единообразия уходят к единой причине появления и той, и другой силы взаимодействия. Но поскольку по части гравитации всё вообще очень сложно, остаётся ссылаться на родство полей и на общую теорию квантового поля.
Между тем, стандартный вопрос учителя физики, которым можно завалить ученика - чем закон Кулона отличается от закона гравитационного взаимодействия? Тут мы должны вспомнить, что закон Кулона описывает как силу отталкивания зарядов так и их притяжения, а закон гравитационного притяжения описывает лишь притяжение тел. Противоположности притягиваются - это про закон Кулона :)
⚠ Обязательно подписывайтесь на мой канал в ДЗЕН, тыкайте лайк 👍 и возвращайтесь за новым контентом! Материалы выходят регулярно!
👉 Тут я размещаю ссылки на новые материалы в ДЗЕНе
🔹 Не забывайте читать новые статьи на сайте!