Взаимодействие зарядов. Закон Кулона

Ф. Эпинус высказал идею о дальнодействии электрических и магнитных взаимодействий. Франклин еще не имел четкого представления о природе электрических сил, а Ломоносов и Эйлер придерживались теории близкодействия, в которой электрические и магнитные взаимодействия передаются через эфир.

В 70-х годах XVIII в. английский ученый Генри Кавендиш провел ряд экспериментов для установления закона взаимодействия между электрическими зарядами. Он установил, что электрическое притяжение и отталкивание должно быть обратно пропорционально квадрату расстояния. Результаты его исследований стали известны гораздо позже, т.к. он не опубликовал свои работы.

Электрические заряды могут притягиваться, подобно массам тел, если заряды разноименные, но, в отличие от гравитационных масс, могут отталкиваться в случае одноименных зарядов.

Кулон Шарль Огюстен (1736 – 1806), французский физик и военный инженер, родился в Ангулеме. Окончил школу военных инженеров. Работы относятся к электричеству, магнетизму, прикладной механике. Сформулировал законы трения качения и скольжения. Установил законы упругого кручения нити и построил прибор для измерения силы. Заложил основы электростатики и магнитостатики.

В 80-х годах XVIII в. Шарль Кулон сконструировал прибор для определения силы взаимодействия зарядов - крутильные весы (рис. 11.1).

Кулон взял палочку, подвешенную на тонкой проволоке, на одном ее конце находился маленький бузиновый шарик, а на другом - уравновешивающий грузик. Шарик на стержне при незакрученной нити касался шарика на стержне в случае отсутствия зарядов. После того, как оба шарика заряжались, они расходились на некоторое расстояние. Измерялись угол закручивания нити и расстояние между шариками, что позволило установить зависимость силы отталкивания от расстояния и от величины зарядов.

Точечным зарядом называется наэлектризованное тело, пренебрежимо малого размера по сравнению с расстоянием до других заряженных тел.

Рис. 11.2.

Сила, описывающая взаимодействие двух точечных зарядов, является фундаментальной и имеет вид, подобный силе гравитационного взаимодействия:

(11.1)

где q₁, q₂ – заряды;

r - расстояние между зарядами.

Закон Кулона

Сила электростатического взаимодействия двух точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами, и направлена вдоль соединяющей их прямой:

(11.2)

где - сила, действующая на заряд q₁ со стороны заряда q₂;

r₁₂ - радиус-вектор, соединяющий заряд q₂ с зарядом q₁ (рис. 11.2).

В системе СИ - электрическая постоянная,

Если заряды помещаются в непроводящую жидкую или газообразную среду - керосин, масло и т.д., то сила взаимодействия уменьшается в e раз:

(11.3)

где - диэлектрическая проницаемость среды;

- сила в вакууме;

F - сила при наличии среды;

в системе СИ.

Если заряды непрерывно распределены по длине, поверхности или объему тела, то пользуются понятиями линейной, поверхностной и объемной плотности зарядов.

Линейная плотность зарядов:

, (11.4)

поверхностная плотность зарядов:

, (11.5)

объемная плотность зарядов:

, (11.6)

где dq - заряд малого участка длины dl, поверхности площадью dS или объема dV.

Закон Кулона описывает также взаимодействие заряженных тел шарообразной формы, если заряды распределены равномерно по объему шаров, r - расстояние между центрами шаров.