Otwórz menu główne

Prawo Coulomba

prawo fizyki
Waga skręceń Coulomba

Prawo Coulomba – prawo fizyki, opisujące siłę oddziaływania elektrostatycznego ładunków elektrycznych. Zostało opublikowane w 1785 przez francuskiego fizyka Charlesa Coulomba.

Prawo Coulomba mówi, że siła wzajemnego oddziaływania dwóch punktowych ładunków elektrycznych jest wprost proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Siła oddziaływania ładunków jest siłą centralną i zachowawczą.

HistoriaEdytuj

  • W latach 1745–1756 badania siły oddziaływania między okładkami naładowanej butelki lejdejskiej prowadził gdańszczanin Daniel Gralath[1]. Nie sformułował on systematycznych zależności ilościowych.
  • W 1767 Joseph Priestley w książce The History and Present State of Electricity zauważył, że siły elektryczne są podobne do sił grawitacji[2], ale nie rozwinął tego tematu.
  • Prawdopodobnie pierwszym badaczem, który ilościowo określił siły oddziaływania między ładunkami, był Henry Cavendish, który w 1771 i 1776 napisał na temat zjawisk elektrycznych duże artykuły dla brytyjskiego Royal Society[3][4]. Prace te nie znalazły szerszego oddźwięku.
  • W 1785 Charles Coulomb opisał cykl prac, w których posługując się skonstruowaną przez siebie precyzyjną wagą skręceń, określił siły działające pomiędzy ładunkami elektrycznymi.

Sformułowanie prawaEdytuj

Wartość siły oddziaływańEdytuj

Wartość siły   oddziaływania dwóch ciał punktowych (lub ciał kulistych równomiernie naładowanych) jest wprost proporcjonalna do wielkości ładunków   i   tych ciał, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości   między nimi. Wartość siły dana jest wzorem:

 

gdzie:

  – stała oddziaływań ładunków elektrycznych w próżni; w ogólnym przypadku w układzie SI stała wyraża się wzorem:
 

gdzie:

 przenikalność elektryczna ośrodka,
 względna przenikalność elektryczna ośrodka,
 przenikalność elektryczna próżni.

Kierunek i zwrot siły oddziaływańEdytuj

 
Wektory sił oddziaływania dwóch ładunków jednoimiennych

Kierunek działania siły oddziaływania ładunków wyznacza prosta przechodząca przez oba te ładunki, natomiast zwrot określają znaki ładunków, tak że:

  • ładunki jednoimienne odpychają się,
  • ładunki różnoimienne przyciągają się.

Wektor siły oddziaływańEdytuj

Wektor siły, z jaką ciało naładowane A działa na ciało B można przedstawić wzorem:

 

gdzie poszczególne wielkości pokazane są na rysunku. Jeżeli   i   są wektorami wodzącymi odpowiednio ładunków   i   wtedy   a prawo Coulomba wyraża wzór:

 

Potwierdzenie doświadczalne prawa CoulombaEdytuj

Prawo Coulomba zostało sformułowane jako prawo doświadczalne, a wielkość wykładnika przy   w mianowniku równa 2 ma zasadnicze znaczenie. Jedynie przy jego wielkości równej dokładnie 2 strumień natężenia pola elektrycznego dla dowolnej powierzchni obejmującej dany ładunek nie zależy od wyboru powierzchni, co umożliwia sformułowanie prawa Gaussa dla pola elektrycznego[5]. Według aktualnych danych doświadczalnych wykładnik jest równy 2 z dokładnością co najmniej (2,7±3,1)⋅10−16[6].

Prawo Coulomba dla układu ładunkówEdytuj

Przyjmując niezależność oddziaływań jednych ładunków od innych oddziaływań (zasada superpozycji), siła, z jaką układ   ładunków punktowych   działa na ładunek punktowy   znajdujący się w położeniu  

 

gdzie   to położenie ładunku  

Dla ciągłego rozkładu ładunków sumowanie zmienia się na całkowanie po oddziaływaniach zachodzących między parami ładunków cząstkowych   oraz   na jakie można podzielić oddziałujące ciała. Przykładowo, siła, z jaką ciało   działa na ciało   można wyrazić wzorem:

 

gdzie   – wektor łączący ładunki   oraz  

Zobacz teżEdytuj

PrzypisyEdytuj

  1. Andrzej Januszajtis, Scientists In Old Gdańsk: 17th And 18th Centuries, TASK Quarterly, 5 No 3 (2001), ISSN 1428-6394
  2. Joseph Priestley,The History and Present State of Electricity, with original experiments. London, 1767. [1].
  3. Cavendish, Henry. An Attempt to Explain Some of the Principal Phaenomena of Electricity, by means of an Elastic Fluid. „Philosophical Transactions”. 61, s. 564–677, 1771. DOI: 10.1098/rstl.1771.0056. 
  4. Cavendish, Henry. An Account of Some Attempts to Imitate the Effects of the Torpedo by Electricity. „Philosophical Transactions”. 66, s. 195–225, 1776. DOI: 10.1098/rstl.1776.0013. 
  5. Andrzej Januszajtis: Pola. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1982. ISBN 83-01-01665-5.
  6. Williams, Faller, Hill. New Experimental Test of Coulomb’s Law: A Laboratory Upper Limit on the Photon Rest Mass. „Physical Review Letters”. 26, s. 721–724, 1971. DOI: 10.1103/PhysRevLett.26.721.