Закон Кулона - методи відкриття та межі застосування

Заряди і електрика – це терміни, обов'язкові для тих випадків, коли спостерігається взаємодія заряджених тел. Сили відштовхування і притягання немов виходять від заряджених тіл і поширюються одночасно у всіх напрямках, поступово затухаючи на відстані. Цю силу в свій час відкрив відомий французький натураліст Шарль Кулон, і правило, якому підпорядковуються заряджені тіла, з тих пір називається Закон Кулона.

Шарль Кулон

Французький вчений народився у Франції, де отримав блискучу освіту. Він активно застосовував здобуті знання в інженерних науках і вніс значний вклад теорію механізмів. Кулон є автором праць, в яких вивчалася робота вітряних млинів, статистика різних споруд, кручення ниток під впливом зовнішніх сил. Одна з цих робіт допомогла відкрити закон Кулона-Амонтона, пояснює процеси тертя. Але основний внесок Шарль Кулон вніс у вивчення статичного електрики. Досліди, які проводив цей французький вчений, підвели його до розуміння одного з найбільш фундаментальних законів фізики. Саме йому ми зобов'язані знанням природи взаємодії заряджених тел.

Передісторія

Сили притягання і відштовхування, з якими електричні заряди діють один на одного, направлені уздовж прямої, що з'єднує заряджені тіла. З збільшенням відстані ця сила слабшає. Через століття після того, як Ісаак Ньютон відкрив свій всесвітній закон тяжіння, французький вчений Ш. Кулон досліджував експериментальним шляхом принцип взаємодії між зарядженими тілами і довів, що природа такої сили аналогічна силам тяжіння. Більше того, як виявилося, взаємодіючі тіла в електирическом полі ведуть себе так само, як і будь-які тіла, володіють масою, в гравітаційному полі.

Прилад Кулона

Схема приладу, за допомогою якого Шарль Кулон робив свої вимірювання, наведена на рисунку: Як можна бачити, по суті ця конструкція не відрізняється від того приладу, яким у свій час Кавендіш виміряв величину гравітаційної постійної. Ізолюючий стрижень, підвішений на тонкій нитці, закінчується металевим кулькою, якому повідомлений певний електричний заряд. До кульки наближають інший металевий кульку, а потім, у міру зближення, вимірюють силу взаємодії за ступенем закручування нитки.

Експеримент Кулона

Кулон припустив, що до силі, з якої закручується нитку, можна застосувати вже відомий тоді Закон Гука. Учений порівняв зміна сили при різній дистанції однієї кульки від іншого і встановив, що сила взаємодії змінює своє значення назад пропорційно квадрату відстані між кульками. Кулон зумів змінювати значення зарядженої кульки від q до q/2 q/4 q/8 і так далі. При кожній зміні заряду сила взаємодії пропорційно змінювала своє значення. Так, поступово, було сформульовано правило, яке згодом було названо «Закон Кулона».

Визначення

Експериментальним шляхом французький вчений довів, що сили, з якими взаємодіють два заряджених тіла, пропорційні добутку їх зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між зарядами. Це твердження і являє собою закон Кулона. У математичному вигляді він може бути виражений так: У цьому виразі:

q - кількість заряду;

d - відстань між зарядженими тілами;

k - електрична постійна.

Значення електричної постійної багато в чому залежить від вибору одиниці вимірювання. У сучасній системі величина електричного заряду вимірюється в кулонах, а електрична постійна, відповідно, ньютонxм 2 /кулон 2 . Останні вимірювання показали, що даний коефіцієнт повинен враховувати діелектричну проникність середовища, в якій проводиться досвід. Зараз величину показують у вигляді співвідношення k=k 1 /e, де до 1 є вже знайомої нам електричної константою, а не є показником діелектричної проникності. В умовах вакууму ця величина дорівнює одиниці.

Висновки із закону Кулона

Вчений експериментував з різною величиною зарядів, перевіряючи взаємодія між тілами з різною величиною заряду. Зрозуміло, виміряти електричний заряд в будь-яких одиницях він не міг – не вистачало ні знань, ні відповідних приладів. Шарль Кулон зміг розділяти снаряд, торкаючись до зарядженого кульці незарядженим. Так він отримував дробові значення початкового заряду. Ряд дослідів показав, що електричний заряд зберігається, відбувається обмін без збільшення або зменшення кількості заряду. Цей фундаментальний принцип ліг в основу закону збереження електричного заряду. В даний час доведено, що цей закон дотримується і в мікросвіті елементарних частинок і в макросвіті зірок і галактик.

Умови, необхідні для виконання закону Кулона

Для того щоб закон виконуються з більшою точністю, необхідно виконання наступних умов:

Набої повинні бути точковими. Іншими словами, дистанція між спостережуваними зарядженими тілами повинна бути набагато більше їх розмірів. Якщо заряджені тіла мають сферичну форму, то можна вважати, що весь заряд знаходиться в точці, яка є центром сфери.

Вимірювані тіла повинна бути нерухомими. Інакше на рухомий заряд будуть впливати численні сторонні фактори, наприклад, сила Лоренца, яка надає зарядженого тіла додаткове прискорення. А також магнітне поле рухомого зарядженого тіла.

Спостережувані тіла повинні перебувати у вакуумі, щоб уникнути впливу потоків повітряних мас на результати спостережень.

Закон Кулона і квантова електродинаміка

З точки зору квантової електродинаміки взаємодія заряджених тіл відбувається за допомогою обміну віртуальними фотонами. Існування таких неспостережуваних частинок і нульової маси, але не нулевиго заряду побічно підтверджується принципом невизначеності. Згідно з цим принципом, віртуальний фотон може існувати між митями випущення такої частинки і її поглинання. Чим менше відстань між тілами, тим менше часу витрачає фотон на проходження шляху, отже, тим більше енергія випускаються фотонів. При невеликій дистанції між спостережуваними зарядами принцип невизначеності припускає обмін і коротковолновими і довгохвильовими частками, а при великих відстанях короткохвильові фотони в обміні не беруть участь.

Чи є межі застосування закону Кулона

Закон Кулона повністю пояснює поведінку двох точкових зарядів у вакуумі. Але коли мова йде про реальних тілах, слід брати до уваги об'ємні розміри заряджених тіл і характеристики середовища, у якій ведеться спостереження. Наприклад, деякі дослідники спостерігали, що тіло, яке несе в собі невеликий заряд і примусово внесена в електричне поле іншого об'єкта з великим зарядом, починає притягатися до цього заряду. У цьому випадку твердження, що однойменно заряджені тіла відштовхуються, дає збій, і слід шукати інше пояснення спостережуваного явища. Швидше за все, тут не йдеться про порушення закону Кулона або принципу збереження електричного заряду – можливо, що ми спостерігаємо невивчені до кінця явища, пояснити які наука зможе трохи пізніше.