Закон кулона какой год

Закон кулона какой год

Французский военный инженер и учёный-физик, исследователь электромагнитных и механических явлений; член Парижской Академии наук. Его именем названы единица электрического заряда и закон взаимодействия электрических зарядов.

Основные научные работы

В 1785 году вышли три основных научных доклада Кулона по электричеству и магнетизму: «Первая работа по электричеству и магнетизму», «Вторая работа по электричеству и магнетизму» и «Третья работа по электричеству и магнетизму». В его известной работе от 1789 года с названием «Седьмая работа» Кулон разъясняет вопрос электрических зарядов и магнитных полей (закон притяжения и отталкивания).

Чем знаменит

• Его имя одно из 72, которые размещены на Эйфелевой башне.
• Единица международной системы единиц – кулон – названа в его честь.
• Теория давления грунта и обобщённая теория клина, которые относятся к механике сыпучих тел и были предложены Кулоном, до сих пор входят в основы инженерной практики.
• В список его заслуг входит изобретение крутильных (торсионных) весов.

Закон Кулона простым языком

Взаимодействия электрических зарядов исследовали ещё до Шарля Кулона. В частности, английский физик Кавендиш в своих исследованиях пришёл к выводу, что неподвижные заряды при взаимодействии подчиняются определённому закону. Однако он не обнародовал своих выводов. Повторно закон Кулона был открыт французским физиком, именем которого был назван этот фундаментальный закон.

История открытия

Эксперименты с заряженными частицами проводили много физиков:

Г. В. Рихман;
профессор физики Ф. Эпинус;
Д. Бернулли;
Пристли;
Джон Робисон и многие другие.
Все эти учёные очень близко подошли к открытию закона, но никому из них не удалось математически обосновать свои догадки. Несомненно, они наблюдали взаимодействие заряженных шариков, но установить закономерность в этом процессе было непросто.

Кулон проводил тщательные измерения сил взаимодействия. Для этого он даже сконструировал уникальный прибор – крутильные весы.

У придуманных Кулоном весов была чрезвычайно высокая чувствительность. Прибор реагировал на силы порядка 10-9 Н. Коромысло весов, под действием этой крошечной силы, поворачивалось на 1º. Экспериментатор мог измерять угол поворота, а значит и приложенную силу, пользуясь точной шкалой.

Благодаря гениальной догадке учёного, идея которой состояла в том, что при соприкосновении заряженного и незаряженного шариков, электрический заряд делился между ними поровну. На это сразу реагировали крутильные весы, коромысло которых поворачивалось на определённый угол. Заземляя неподвижный шарик, Кулон мог нейтрализовать на нём полученный заряд.

Таким образом, учёный смог уменьшать первоначальный заряд подвижного шарика кратное число раз. Измеряя угол отклонения после каждого деления заряда, Кулон увидел закономерность в действии отталкивающей силы, что помогло ему сформулировать свой знаменитый закон.

Формулировка

Кулон исследовал взаимодействие между шариками, ничтожно малых размеров, по сравнению с расстояниями между ними. В физике такие заряженные тела называются точечными. Другими словами, под определение точечных зарядов подпадают такие заряженные тела, если их размерами, в условиях конкретного эксперимента, можно пренебречь.

Для точечных зарядов справедливо утверждение: Силы взаимодействия между ними направлены вдоль линии, проходящей через центры заряженных тел. Абсолютная величина каждой силы прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Данную зависимость можно выразить формулой:

|F1|=|F2|=(ke*q1*q2) / r2

Остаётся добавить, что векторы сил направлены друг к другу для разноименных зарядов, и противоположно, в случае с одноимёнными зарядами. То есть между разноимёнными зарядами действует электрическое притяжение, а между одноимёнными – отталкивание.

Таким образом, закон Кулона описывает взаимодействие между двумя электрическими зарядами, которое лежит в основе всех электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы действовал сформулированный выше закон, необходимо выполнение следующий условий:

соблюдение точечности зарядов;
неподвижность заряженных тел;
закон выражает зависимости между зарядами в вакууме.

Границы применения

Описанная выше закономерность при определённых условиях применима для описания процессов квантовой механики. Правда, закон Кулона формулируется без понятия силы. Вместо силы используется понятие потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Закономерность получена путём обобщения экспериментальных данных.

Следует отметить, что на сверхмалых расстояниях (при взаимодействиях элементарных частиц) порядка 10 — 18 м проявляются электрослабые эффекты. В этих случаях закон Кулона, строго говоря, уже не соблюдается. Формулу можно применять с учётом поправок.

Нарушение закона Кулона наблюдается и в сильных электромагнитных полях (порядка 1018 В/м), например поблизости магнитаров (тип электронных звёзд). В такой среде кулоновский потенциал уменьшается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Кулоновские силы подпадают под действие третьего закона Ньютона: F1 = – F2. Они используются для описания законов всемирного тяготения. В этом случае формула приобретает вид: F = ( m1* m2 ) / r2 , где m1 и m2 – массы взаимодействующих тел, а r – расстояние между ними.

Закон Кулона стал первым открытым количественным фундаментальным законом, обоснованным математически. Его значение в исследованиях электромагнитных явлений трудно переоценить. С момента открытия и обнародования закона Кулона началась эра изучения электромагнетизма, имеющего огромное значение в современной жизни.

Коэффициент k

Формула содержит коэффициент пропорциональности k, который для согласования соразмерностей в международной системе СИ. В этой системе единицей измерения заряда принято называть кулоном (Кл) – заряд, проходящий за 1 секунду сквозь проводник, где силы тока составляет 1 А.

Коэффициент k в СИ выражается следующим образом: k = 1/4πε0, где ε0 – электрическая постоянная: ε0 = 8,85 ∙10-12 Кл2/Н∙м2. Выполнив несложные вычисления, мы находим: k = 9×109 H*м2 / Кл2. В метрической системе СГС k =1.

На основании экспериментов было установлено, что кулоновские силы, как и принцип суперпозиции электрических полей, в законах электростатики описывают уравнения Максвелла.

Если между собой взаимодействуют несколько заряженных тел, то в замкнутой системе результирующая сила этого взаимодействия равняется векторной сумме всех заряженных тел. В такой системе электрические заряды не исчезают – они передаются от тела к телу.

Закон Кулона в диэлектриках

Выше было упомянуто, что формула, определяющая зависимость силы от величины точечных зарядов и расстояния между ними, справедлива для вакуума. В среде сила взаимодействия уменьшается благодаря явлению поляризации. В однородной изотопной среде уменьшение силы пропорционально определённой величине, характерной для данной среды. Эту величину называют диэлектрической постоянной. Другое название – диэлектрическая проницаемость. Обозначают её символом ε. В этом случае k = 1/4πεε0.

Диэлектрическая постоянная воздуха очень близка к 1. Поэтому закон Кулона в воздушном пространстве проявляется так же как в вакууме.

Интересен тот факт, что диэлектрики могут накапливать электрические заряды, которые образуют электрическое поле. Проводники лишены такого свойства, так как заряды, попадающие на проводник, практически сразу нейтрализуются. Для поддержания электрического поля в проводнике необходимо непрерывно подавать на него заряженные частицы, образуя замкнутую цепь.

Применение на практике

Вся современная электротехника построена на принципах взаимодействия кулоновских сил. Благодаря открытию Клоном этого фундаментального закона развилась целая наука, изучающая электромагнитные взаимодействия. Понятие термина электрического поля также базируется на знаниях кулоновских сил. Доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака не что иное как скопление электрических зарядов. Они притягивают к себе индуцированные заряды земли, в результате чего появляется молния. Это открытие позволило создавать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электротехнических сооружений.

Исследования Кулона для электростатики имеют большое значение, так как применяются во многих изобретениях и устройствах. В качестве примера можно привести громоотвод.

Он применяется для защиты зданий и электроустановок от гроз, что также позволяет предупредить возникновение пожара и поломку техники.

Когда на улице дождливая погода сопровождается грозой, то на земле возникают направленные разряды, притягивающиеся к облакам. В результате на земле образуются электрические поля большой величины.

Рядом с острой частью громоотвода это поле обладает наибольшей величиной, поэтому от этой части образуется возгорание самостоятельного газового разряда (земля -> громоотвод ->облака).

В то время, когда электричество от земли притягиваются к противоположным величинам облаков, начинает действовать закон Кулона.

На базе электростатики появилось много изобретений:

• конденсатор;
• различные диэлектрики;
• антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
• защитная одежда для работников электронной промышленности и многое другое.

На законе Кулона базируется работа ускорителей заряженных частиц, в частности, функционирование Большого адронного коллайдера

Закон Кулона. Открытие и применение. Особенности

О взаимном влиянии заряженных частиц одна на другую знали многие ученые помимо Кулона. Они догадывались, что взаимодействие неподвижных зарядов подчиняется какой-то закономерности, но представить ее в виде формулы не могли. Закон Кулона – первый четко сформулированный результат исследований, представленный ученым в виде обоснованного количественного соотношения.

Как был открыт закон Кулона (краткая история)

До Кулона исследования и опыты с заряженными частицами проводили многие специалисты в разных странах мира. Этим занимались известные европейские ученые Д. Бернулли, Ф. Присли и Ф. Эпинус, а также ирландец Д.Робинсон и русский ученый-физик Г. В. Рихман. Каждый из них внес свой вклад в общее дело, но установить строгую закономерность и оформить ее в виде закона удалось только французу Ш. Кулону.

Открыть закономерности взаимодействия одиночных зарядов ему помогли придуманные и собранные ученым крутильные весы, отличающиеся повышенной чувствительностью.

Изобретенный им прибор реагировал на воздействие очень слабых отталкивающих и притягивающих сил (их величина не превышала 10 в минус 9 Н). Под действием такого мизерного давления коромысло весов поворачивалось всего на один градус. Поскольку измерять приходилось небольшие углы поворота, соответствующие силе взаимодействия заряженных частиц – шкала измерителя отклонения должна была быть очень точной (с мелкими делениями).

Ученый предположил, что при прямом контакте двух свободно подвешенных шариков (заряженного и незаряженного) электричество одного из них распределяется между ними поровну. Использование крутильных весов и последующие эксперименты подтвердили его догадку. Полностью разряжать неподвижный шарик ученому удавалось путем его соединения с грунтом (метод заземления).

Благодаря этому приему за счет нескольких прикосновений Кулон уменьшал первоначальный заряд свободного шарика в определенное число раз. После каждого такого деления он измерял угол отклонения отталкивания и обнаружил определенную закономерность. Именно она и помогла ученому сформулировать хорошо знакомое многим соотношение, которое впоследствии было названо «закон Кулона».

Формулировка закона

Поскольку при опытах использовались очень маленькие шарики (их размер по сравнению с удаленностью одного от другого был ничтожен) – во время эксперимента они представлялись точечными зарядами. Согласно положениям соответствующего раздела физики – механики – в условиях конкретного эксперимента размерами и массой таких тел можно пренебречь.

С учетом всего сказанного закон Кулона для точечных зарядов формулировался в виде следующих основных положений:

• Линия действия сил притягивания и отталкивания проходит через центральные точки заряженных тел.
• Ее абсолютное значение прямо пропорционально произведению величин взаимодействующих зарядов.
• В то же время она обратно пропорционально квадрату расстояния, на которое они удалены один от другого.

В виде формулы эта зависимость выражается так:

|F1|=|F2|=(KхQ1хQ2) /R²

Где «F1» и «F2» – сила, действующая на каждый точечный объект.

«Q1» и «Q2» – заряды, соответствующие величине их электризации.

«K» – специальный коэффициент.

«R» – расстояние, на которое удалены тела одно от другого.

Особо отмечается, что векторы действующих при этом сил имеют направления, зависящие от знака точечных зарядов. Для разноименно заряженных тел они направлены навстречу друг к другу, а для одноименных зарядов – в противоположные стороны (это равносильно притяжению и отталкиванию точечных объектов).

Что такое коэффициент «K»

Формула, представляющая закон Кулона в математическом виде, содержит коэффициент «K», необходимый для согласования соразмерностей в системе единиц СИ. За элементарный единичный заряд в ней принимается величина, названная именем ученого – один кулон (Кл). Она соответствует суммарному количеству электрических носителей, перемещающихся в проводнике с током в 1А за одну секунду.

В математическом виде коэффициент пропорциональности выглядит так:

K = 1/4πε0

Здесь ε0 – это электрическая константа, равная 8,85х10-12 Кл2/Н∙м².

После проведения несложных вычислений получаем: K =9×109 Hхм² / Кл².

Условия, при которых действует кулоновская закономерность

Неукоснительное выполнение закона Кулона возможно лишь при выполнении следующих обязательных условий:

• Используемые при проведении опытов заряды должны быть точечными.
• Эксперимент действителен только для неподвижных тел.
• Выведенная закономерность полностью характеризует взаимодействие зарядов в безвоздушной среде (в вакууме).

К ограничениям действия этой закономерности также относят те области, в которых она выполняется. Так, закон Кулона при некоторых условиях применим для описания квантовых процессов. В этом случае вместо силы в соотношении используется энергия заряженных частиц.

Для их взаимодействия характерны сверхмалые расстояния, что сказывается на характере выполнения закона. Дело в том, что при микроскопических значениях R (порядка 10 в минус 18 степени) при взаимодействии зарядов проявляются «электрослабые» эффекты. В таких условиях этот закон в своем первоначальном виде уже не выполняется. Для приведения его в соответствие с новыми условиями вводится ряд поправок на сверхмалые расстояния.

Отклонения от этого закона наблюдаются и в сильных э/м полях, величина которых достигает значений порядка 1000 В/м. Такие напряженности чаще всего встречаются вблизи «мощных» постоянных магнитов. В этом случае кулоновское притяжение/отталкивание уменьшается не обратно пропорционально расстоянию, а по экспоненциальной кривой.

Универсальность закона

По виду математического выражения для закона Кулона видно, что кулоновские взаимодействия полностью соответствуют закономерностям, выведенным великим ученым И. Ньютоном. Формула для закона всемирного тяготения получается, если вместо заряда подставить в соотношение Кулона массы точечных частиц. Полное совпадение с третьим правилом Ньютона также очевидно (F1 = –F2).

В результате экспериментов установлено, что силы взаимодействия зарядов и принципы их суперпозиции выводятся из закономерностей электростатики, описываемых уравнениями Максвелла. Согласно этой теории, при наличии нескольких заряженных тел результирующая сила в замкнутой системе равна сумме векторов, соответствующих всем точечным зарядам. Также установлено, что в замкнутой системе из нескольких тел электрические заряды не нейтрализуются и не исчезают. В этих условиях они только передаются (перетекают) от одного тела к другому.

Как действует закон Кулона в диэлектриках

Формула, устанавливающая зависимость действующей на заряды силы от их величины и удаления, в общем случае справедлива для вакуума. При их размещении в определенной среде интенсивность взаимодействия снижается, что объясняется эффектом поляризации составляющих диэлектрик частиц. В однородном по структуре и непроводящем материале уменьшение этого показателя пропорционально коэффициенту, зависящему от свойств конкретного диэлектрика.

Эта безразмерная величина известна под названием «диэлектрическая постоянная» или «проницаемость». Она обозначается самостоятельным символом «ε», а коэффициент K приобретает следующий вид: K = 1/4πεε0. Для воздуха эта величина близка к единице, откуда следует, что в нормальных земных условиях закон Кулона проявляется так же, как и в вакууме.

Практическое применение закона

Современная электротехника практически во всем ее объеме основывается на принципах кулоновского взаимодействия зарядов в различных средах. С его открытием появилось новое направление в науке и технике, построенное с учетом особенностей электромагнитных явлений.

Само понятие «электрическое поле» появилось именно после открытия Кулоном своего универсального закона. При наблюдении за природными явлениями в виде грозовых облаков и разрядов молнии человек научился различать в них кулоновские силы и взаимодействия, что позволило ему копировать их в лабораторных условиях. После моделирования этих процессов специалисты смогли разработать особые защитные устройства – молниеотводы, позволяющие уберечь здания и электротехнические объекты от мощных грозовых разрядов.

Помимо этого освоение основ электростатики позволило разработать и массово выпускать следующие материалы и компоненты современной аппаратуры:

• Конденсаторы различного типа и емкости.
• Диэлектрические вещества.
• Антистатические материалы.
• Защитную одежду, предназначенную для персонала предприятий по выпуску точных электронных компонентов.

На принципах, открытых Кулоном, работают современные ускорители заряженных частиц. В качестве типичного примера практического применения этого закона обычно рассматривается работа Большого Адронного Коллайдера.

Закон Кулона – это первая из открытых в прошлых столетиях фундаментальных закономерностей, которые были обоснованы с помощью математического аппарата. Важность его применения при изучении и исследовании э/м полей сложно переоценить. Именно с его открытием и всеобщим признанием началась эпоха электромагнетизма, без которого трудно было бы представить жизнь современного общества.

Похожие темы:

• Магнитное сопротивление. Применение и особенности
• Электризация тел. Виды и свойства. Применение и особенности
• Электродвижущая сила (ЭДС). Виды и применение. Особенности
• Электрическая мощность. Расчет и измерение. Особенности

Кулоновское взаимодействие зарядов: история открытия фундаментального закона электродинамики

Открытие закона Кулона в 1785 году является поворотным моментом в истории науки об электричестве и магнетизме. Этот количественный закон позволил объяснить природу наблюдаемых еще в глубокой древности явлений статического электричества и заложил фундамент современной электродинамики.

1. Предпосылки открытия закона Кулона

Еще представители древних цивилизаций Средиземноморья знали, что некоторые предметы, например стержни из янтаря, после натирания меховой тканью начинают притягивать легкие объекты вроде перьев или кусочков бумаги. Это явление статического электричества интриговало ученых на протяжении многих веков.

Впервые письменное описание свойств янтаря оставил древнегреческий философ Фалес Милетский примерно в 600 году до н.э. Он отметил, что после натирания янтарь приобретает способность притягивать легкие объекты.

Фалес Милетский сделал первое письменное описание статического электричества около 600 г. до н. э., когда он заметил, что трение может сделать кусок янтаря «магнитным».

В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт провел тщательное исследование электрических и магнитных явлений. Он впервые провел различие между действием магнитного камня и эффектом статического электричества, возникающего при трении янтаря. Гилберт ввел в обращение термин electricus («янтарный») для обозначения свойства притягивать легкие предметы после натирания.

Из этого латинского термина позднее возникли английские слова «electric» и «electricity», впервые упомянутые в печати в 1646 году в книге Томаса Брауна «Псевдошибболет».

2. Первые количественные эксперименты (середина XVIII века)

В середине XVIII века появились первые попытки количественного изучения электрических явлений. Ряд исследователей высказали предположение, что электрические силы, так же как и гравитационные, должны убывать с увеличением расстояния.

В 1752-1753 годах русский ученый Георг Рихман предложил экспериментально проверить зависимость электрического взаимодействия от расстояния. Однако его планам не суждено было сбыться из-за трагической гибели исследователя от удара молнии.

В 1759 году профессор Академии наук в Санкт-Петербурге Франц Эпинус, занявший кафедру Рихмана, выдвинул предположение, что сила взаимодействия электрических зарядов должна убывать обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Примерно в то же время швейцарский математик Даниил Бернулли и итальянский физик Алессандро Вольта проводили опыты по измерению сил между заряженными пластинами конденсатора. Их результаты также указывали на обратную зависимость от квадрата расстояния.

3. Революционное открытие Кулона в 1785 году

Наконец, в 1785 году французский ученый Шарль Кулон опубликовал работу, которая навсегда изменила представления об электричестве. С помощью остроумно придуманных крутильных весов Кулон впервые получил точные количественные данные о зависимости электростатических сил от расстояния и величины зарядов.

Крутильные весы Кулона представляли собой легкую стрелку, подвешенную на тонкой нити. На концах стрелки размещались металлические шарики с известными электрическими зарядами. Приближая к ним другие заряженные шарики, Кулон измерял угол закручивания нити и таким образом находил величину возникающих электрических сил.

В результате блестяще проведенных экспериментов Кулон сформулировал закон, названный впоследствии в его честь. Этот закон гласит, что величина силы кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: [10]

где F — сила взаимодействия, q1 и q2 — величины зарядов, r — расстояние, k — коэффициент пропорциональности.

Открытие этого фундаментального количественного закона электрического взаимодействия положило начало современной науке об электромагнетизме.

4. Экспериментальные подтверждения закона Кулона

После публикации работы Кулона многие ученые пытались как можно точнее воспроизвести его эксперименты с крутильными весами. Это оказалось непростой задачей.

Первые попытки точного воспроизведения опыта Кулона столкнулись с трудностями из-за влияния заряда самого экспериментатора.

Только применение специальной клетки Фарадея позволило экранировать воздействие посторонних зарядов и получить результаты, согласующиеся с законом Кулона.

В 1947 году для проверки действия закона Кулона на микроскопических расстояниях порядка атомных размеров американские физики Уиллис Лэмб и Роберт Резерфорд использовали данные о тонкой структуре спектральных линий водорода. Их измерения подтвердили, что даже на расстояниях ~10 -8 см отклонение от квадратичной зависимости составляет менее чем 10 -9 .

С позиций современной квантовой электродинамики закон Кулона объясняется обменом виртуальных фотонов между заряженными частицами. Чем меньше расстояние, тем больше энергия фотонов, участвующих в обмене, и тем сильнее кулоновское взаимодействие.

Таким образом, многочисленные точные эксперименты, проведенные с момента открытия закона Кулона до наших дней, полностью подтверждают его справедливость.

5. Применение закона Кулона

Закон Кулона позволяет рассчитать силы взаимодействия в различных системах электрических зарядов. Для этого используется принцип суперпозиции — результирующая сила находится как векторная сумма сил от каждой пары зарядов.

На основе закона Кулона можно объяснить устойчивость атомов и молекул. Кулоновские силы удерживают положительно заряженные атомные ядра и отрицательные электроны на определенных орбитах, не давая им разлететься.

По форме закон Кулона аналогичен закону всемирного тяготения Ньютона. Электрические заряды играют роль гравитационных масс, а роль расстояния в обоих случаях квадратичная. Таким образом, эти два фундаментальных вида взаимодействия имеют сходную математическую структуру.

6. Ограничения применимости закона Кулона

Несмотря на широкий спектр явлений, которые удается объяснить с помощью закона Кулона, его применимость не безгранична. Существует ряд факторов, которые накладывают ограничения.

Во-первых, закон Кулона справедлив для вакуума. При наличии среды кулоновское взаимодействие ослабляется из-за экранирующего действия полярных молекул. В этом случае в формулу нужно вводить поправочный множитель — диэлектрическую проницаемость среды.

Во-вторых, закон выполняется для неподвижных зарядов. При их движении появляется дополнительный член, учитывающий эффект магнитного поля.

В-третьих, на очень малых расстояниях порядка 10 -15 м проявляются квантовые эффекты, приводящие к отклонениям от классического закона Кулона.

7. Обобщения закона Кулона

Несмотря на ограничения, закон Кулона можно обобщить на более сложные ситуации.

С помощью принципа суперпозиции закон распространяется от двух зарядов на произвольные системы точечных или непрерывно распределенных зарядов. Это позволяет моделировать электростатические поля реальных объектов.

Учет эффектов относительности приводит к обобщению закона Кулона в искривленном пространстве-времени, например в поле тяготения массивных тел.

В квантовой теории закон сохраняет форму, но трактуется через обмен виртуальными фотонами, а не классическими силами. Это открывает путь к описанию микромира.

8. Закон Кулона и современная наука

Хотя с момента открытия прошло более 200 лет, закон Кулона не утратил актуальности и в наши дни.

С использованием современных технологий проводятся все более точные эксперименты по проверке этого фундаментального закона природы. Пока не обнаружено никаких отклонений от предсказаний Кулона.

В то же время закон Кулона не является самым фундаментальным законом электродинамики. Сейчас его часто рассматривают как следствие более общих уравнений Максвелла.

Тем не менее, это открытие навсегда вписано золотыми буквами в историю физики как революционный шаг на пути познания природы электромагнетизма.

9. Перспективы дальнейшего изучения

Несмотря на кажущуюся простоту и изученность, закон Кулона до сих пор таит неразгаданные тайны.

Остается открытым вопрос о механизмах, лежащих в основе кулоновского взаимодействия. Современная физика пока не может до конца объяснить природу электрического заряда и почему он подчиняется таким математическим закономерностям.

Дальнейшее изучение этого феномена, возможно, приведет к открытию новых фундаментальных законов природы и глубокому пониманию устройства нашего мира на квантовом уровне.

Определение и формула закона Кулона

Закон Кулона — закон в физике, который описывает взаимосвязь двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме.

Рассмотри формулу закона Кулона. Сила, действующая на заряд q1, действует и на заряд q2. Согласно закону эта сила может быть найдена по следующей формуле: Коромысло у этих весов даже под воздействием небольшой силы могло поворачиваться на 1 градус. Ученый мог по своему желанию менять угол поворота, а это значит, что и менять силу, которую приложена. Таким образом измерения становились намного точнее.

Благодаря этому прибору ученый смог выявить, что при взаимодействии незаряженного и заряженного шариков электрический заряд делится между этими шариками поровну. На это взаимодействие сразу же реагировало его гениальное устройство, коромысло которого поворачивалось на определенный угол. В процессе замедления неподвижного шарика, Кулону удалось нейтрализовать на этом шарике полученный им заряд.

Так Шарль Кулон смог уменьшить изначальный заряд подвижного шарика в несколько раз. При измерении угла в процессе его отклонения после каждого деления заряда, ученый проследил закономерности в действии отталкивающей силы. Эти наблюдения помогли ему сформулировать его знаменитый закон. Закон Кулона — первый открытый количественный и сформулированный на языке математики базой закон для электромагнитных явлений. С закона Кулона берет начало современное развитие науки об электромагнетизме.

Краткая формулировка, где применяется

Кулоном было исследовано взаимодействие между шарами очень маленьких размеров (по сравнению с тем расстоянием, что было между ними). В физике принято называть эти заряженные тела точечными.

Определение 2
Точечные тела — такие заряженные тела, размерами которых в рамках эксперимента возможно пренебречь.

Для точечных зарядов будет справедливым данное утверждение: силы взаимосвязи между этими зарядами направлены по линии, которая проходит через все центры тел с зарядом. Абсолютное значение каждой силы будет прямо пропорционально произведению определенных зарядов, а также обратно пропорциональна расстоянию в квадрате между этими зарядами. Формула 3

• показатель r указывает на величину расстояния между телами;
• k является постоянным коэффициентом.

Что такое коэффициент k?

В формуле закона Кулона находится коэффициент пропорциональности «k», который используется для того, чтобы согласовать соразмерности в системе СИ. В данной системе единица измерения заряда — кулон (сокращенно Кл).

Определение 3

Кулон — заряд, проходящий за 1 секунду времени через проводник, сила тока в котором составляет 1 А.

Показатель k выражается в форме следующей формулы:

Примеры практического использования

Уже было сказано про то, что закон Кулона повлиял на формирование целого ряда научных дисциплин, помог в производстве разных материалов. В современном мире нет ни одной области электротехники, в которой не работал бы кулоновский закон. Особенно это касается областей электростатики. Их работа напрямую зависит от закона Кулона. Рассмотрим примеры практического использования закона:

Самый простой способ использования данного закона — введение диэлектрика. Сила взаимосвязи зарядов в вакуумном пространстве будет всегда большей по силе, чем взаимосвязь этих же зарядов, но в условиях, когда между зарядами располагается любой диэлектрик.

Диэлектрическая проницаемость среды является той величиной, которая помогает определить силовые значения количественно, не завися от расстояния между этими зарядами, а также от их величины. Будет достаточно разделить силу взаимосвязи зарядов в вакуумном пространстве на диэлектрический показатель проницаемости внесенного диэлектрика — так получится сила взаимосвязи в присутствии любого диэлектрика.

Благодаря закону Кулона стала возможной работа сложных исследовательских комплексов. Например, ускорителя частиц с зарядами. Фундамент работоспособности ускорителей частиц строится на явлении взаимосвязи электрического поля, а также заряженных частиц.

Электрическое поле делает работу в ускорителе, увеличивая постепенно энергию частицы. Можно принять частицу с ускорением за точечный заряд, действие самого ускоряющего электрического поля ускорителя — за сумму сил со стороны всех остальных точечных зарядов. В таком случае закон Кулона полностью можно считать соблюденным.

Также закон Кулона способствует работе защитных сооружений электротехнического толка. У каждой электротехнической станции всегда устанавливается молниеотвод. А его работа невозможно без соблюдений условий закона Кулона.

В период гроз на планете формируются большие индуцированные заряды — по закону Кулона они должны притягиваться по направлению к грозовому облаку. В результате разряда молнии вокруг молниеотвода воздух ионизируется.

Из-за этого напряжение электрического поля рядом с верхушкой острого кончика молниеотвода уменьшается, а индуцированные заряды не накапливаются на поверхности здания, поэтому вероятность повторного попадания молнии снижается. Если молния все же попадет в молниеотвод, то сила заряда будет направлена в землю, что не причинит вред установке.

Посмотрите на молниеотвод: