Електрична взаємодія зарядів. Закон Кулона

У 1785 році французький вчений Кулон встановив кількісну залежність між силою взаємодії двох електричних зарядів, їх величиною та відстанню між ними. Для дослідження взаємодії зарядів Кулон використав крутильні ваги, які складаються з непровідного електричний заряд стрижня, підваженого на тонкій кварцовій ніті, у скляному циліндричному сосуді. На одному кінці стрижня був закріплений металевий шар, на іншому - противаг. На скляному сосуді була нанесена шкала, яка дозволяла вимірювати кут закручування ніті. Через отвір у кришці сосуду ввели другий аналогічний за розмірами нерухомий металевий шар. На шкалі відмічають місце розташування рухомого шару. Потім шари заряджають й спостерігають кут закручування ніті. Змінюючи відстань між шарами й вимірюючи кут закручування було знайдено залежність сили взаємодії зарядів на відстані.

Величину заряду при постійній відстані між шарами змінювали таким чином: незаряджений шар аналогічний шарам у сосуді присували до одного із заряджених шарів, при цьому половина заряду з останнього стікала до незарядженого шару. Таким чином була встановлена залежність між силою взаємодії та величиною зарядів, які знаходяться у повітрі. На базі зроблених вимірювань Кулон вивів наступне: сила взаємодії двох точкових електричних зарядів у вакуумі прямо пропорційна добутку зарядів, зворотно пропорційна квадрату відстані між ними й направлена уздовж прямій, яка з’єднує ці заряди. Математично цей закон можна виразити такою формулою:

де - величини зарядів, Кл

- відстань між зарядами, м

- коефіцієнт пропорційності.

Досліди показали, що величина сили взаємодії наелектризованих тіл також залежить від ізолюючого середовища, в якому вони знаходяться. Наприклад, сила взаємодії у керосині при усіх рівних умовах менше, ніж у вакуумі, у два рази, а в воді - у 81 раз.

Величина, яка дозволяє врахувати вплив ізолюючого середовища на силу взаємодії наелектризованих тіл, називається абсолютною діелектричною проникністю середовища. Позначається ε_а. Чим більше ця проникність, тим менше сила взаємодії зарядів. Абсолютну діелектричну проникність середовища можна представити як добуток двох величин:

,

де - це діелектрична проникність ( чи відносна діелектрична проникність ), величина безмірна, залежить лише від властивостей середовища й не залежить від вибору одиниць вимірювання, вона показує у скільки раз сила взаємодії між електричними зарядами у даному середовище менше, ніж у вакуумі. Для вакууму =1, для керосину - 2, скла - 6÷8, води - 81, повітря - 1, папір - 4.

- це електрична постійна, величина розмірна, залежить лише від вибору одиниць вимірювання й не залежить від властивостей середи. У системі СІ має значення:

Таким чином, закон Кулона для ізолюючого середовища у системі СІ буде: сила взаємодії двох точкових електричних зарядів у всякому ізолюючому середовище прямо пропорційна добутку зарядів та зворотно пропорційна абсолютній діелектричній проникності й квадрату відстані між зарядами:

Сили взаємодії нерухомих електричних зарядів називають електростатичними. Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним.

Коли в електричне поле заряду внести заряд , то сила, з якою поле відкине заряд на відстань , буде: . Тобто поле виконає роботу, при цьому виділиться енергія. Відношення цієї електроенергії до величини заряду поля називається потенціалом:

При нескінченній відстані потенціал дорівнює нулю, тобто потенціал нескінченно віддаленої точки дорівнює нулю.