Фізика - Чолпан П.П. 2003

Частина 3 ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ

Розділ 8 ЕЛЕКТРИКА

8.2. Закон Кулона

Закон взаємодії електричних зарядів установив 1785 р. Ш. Кулон експериментально за допомогою крутильних терезів, принцип дії яких використано в досліді Г. Кавендіша з визначення гравітаційної сталої. Ш. Кулон установив, що сила взаємодії F між двома невеликими зарядженими металевими кульками обернено пропорційна квадрату відстані між ними і залежить від цих зарядів q ₁ та q ₂:

де k — коефіцієнт пропорційності; r — відстань між центрами заряджених кульок. Закон Кулона справедливий лише для взаємодії точкових електричних зарядів, тобто таких заряджених тіл, лінійними розмірами яких можна нехтувати порівняно з відстанню між ними. Крім того, він визначає силу взаємодії між нерухомими електричними зарядами, тобто цей закон електростатичний.

Закон Кулона можна сформулювати так: сила електростатичної взаємодії між двома точковими електричними зарядами прямо пропорційна добутку зарядів, обернено пропорційна квадрату відстані між ними і напрямлена вздовж прямої, що з’єднує ці заряди.

Будь-яке заряджене тіло можна розглядати як сукупність точкових зарядів аналогічно тому, як у механіці можна будь-яке тіло вважати сукупністю матеріальних точок. Тоді електростатична сила, з якою одне заряджене тіло діє на інше, дорівнює векторній сумі сил, прикладених до всіх точкових зарядів другого тіла з боку кожного точкового заряду першого тіла. Розрахунки показують, що закон Кулона у формі (8.1) справедливий також для взаємодіючих заряджених тіл кульової форми, якщо заряди q ₁ і q ₂ розподілені рівномірно по всьому об’єму або по всій поверхні цих тіл. При цьому радіуси тіл можуть бути такого самого порядку, як і відстані між їхніми центрами. Ш. Кулон також установив, що сили, які діють на заряди, є центральними, тобто вони напрямлені вздовж прямої, яка з’єднує заряди. Проте дослідник вивчав взаємодію між зарядами, що перебували в повітрі. Наступні експериментальні дослідження показали, що за інших однакових умов сила електричної взаємодії між двома точковими зарядами залежить від властивостей середовища, в якому ці заряди перебувають.

Вплив середовища на силу електростатичної взаємодії між зарядами враховується в законі Кулона коефіцієнтом k, який залежить також від вибору одиниць виміру величин, що входять у формулу (8.1). У зв’язку з цим зручно подати коефіцієнт к у вигляді відношення двох коефіцієнтів:

де k ₁ — коефіцієнт, що залежить від вибору системи одиниць; ε — відносна діелектрична проникність середовища — безрозмірна величина, що характеризує його електричні властивості. Для вакууму

В CI і закон Кулона набирає вигляду

де ε ₀ — електрична стала

Таку форму запису закону Кулона називають раціоналізованою. За одиницю кількості електрики (одиницю заряду) в СІ беруть 1 кулон (1 Кл) — кількість електрики, що проходить за 1 с через поперечний переріз провідника, по якому проходить струм силою 1 А.

У системі СГСЕ k ₁ = 1 і закон Кулона набирає вигляду

Систему, що складається з двох точкових однакових за значенням і протилежних за знаком зарядів, відстань між якими l, називають диполем.

Таку систему в фізиці розглядають тому, що центри позитивних і негативних зарядів молекул багатьох речовин мають певне зміщення один відносно одного і, отже, є природними диполями. Уявлення про диполі дає змогу, наприклад, з певним наближенням описати взаємодію молекул різних речовин. Модель дипольної будови речовини покладено в основу теорії діелектриків.

Добуток позитивного заряду на відстань між зарядами називають електричним моментом диполя

Якщо відстань між зарядами розглядати як вектор, що напрямлений від негативного заряду до позитивного, то електричний момент диполя буде також вектором

де l — плече диполя.