3. Закон Кулона

Взаимодействие зарядов исследовал французский физик Шарль Кулон (1736-1806). Для измерения силы он использовал крутильные весы (Рис. 3 .5). Сила взаимодействия определялась по углу закручивания нити. Когда к шарику на конце стержня, подвешенного на нити, подносят заряд, стержень слегка отклоняется, нить закручивается, и угол закручивания нити пропорционален действующей между зарядами силе. В те времена еще не было приборов для точного определения величины заряда, но Кулон сумел определить соотношение зарядов. Заряженный проводящий шарик приводился в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком.

Рис. 3.5 Измерение силы взаимодействия с помощью

крутильных весов

При этом имевшийся на первом шарике заряд распределялся поровну между двумя шариками. Это дало возможность получать заряды, составлявшие 1/2, 1/4 и т.д. от первоначального. Кулон показал, что сила, с которой одно малое заряженное тело действует на другое малое заряженное тело, прямо пропорциональна произведению электрических зарядов каждого из них и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Под малыми заряженными телами подразумевают точечные заряды, то есть такие заряженные тела, размерами которых по сравнению с расстоянием между ними можно пренебречь. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются, и сила направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды (Рис. 3 .6):

Рис. 3.6 Направления сил взаимодействия зарядов

Заметим, что в соответствии с третьим законом Ньютона сила, с которой один заряд действует на другой, равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой второй заряд действует на первый.

В современной записи закон Кулона выглядит следующим образом:

3.1

Справедливость закона подтверждена тщательными экспериментами, гораздо более точными, чем первоначальные трудно воспроизводимые опыты Кулона. Показатель степени 2 (r²) установлен в настоящее время с точностью 10^-16, то есть он равен 2±210^-16. Коэффициент k в формуле ( 3 .1) зависит от выбора системы единиц. Можно подобрать такую единицу измерения электрического заряда, чтобы k равнялся единице. Такая единица заряда называется абсолютной электростатической единицей заряда и обозначается 1 СГСЭq. Теперь, однако, заряд чаще всего выражают в системе СИ, где его единицей является кулон (Кл). Она выражается через основную единицу СИ - ампер (А): 1 Кл = 1Ас. В системе СИ k имеет величину:

k = 8,988 10⁹ Нм²/Кл²  9,0 10⁹ Нм²/Кл².

Для упрощения многих других формул электричества коэффициент k записывают в виде: , где ₀ = 8.8510^-12 Кл²/Нм² – электрическая постоянная (или абсолютная диэлектрическая проницаемость).

Важно понимать, что формула ( 3 .1) определяет силу, действующую на данный заряд со стороны единственного заряда. Если система включает несколько (или много) заряженных тел, то результирую­щая сила, действующая на данный заряд, будет равно­действующей (векторной суммой) сил, действующих со стороны остальных зарядов.