Фізика. Повторне видання. 8 клас. Сиротюк

§ 21. Закон Кулона

Виконуючи досліди, ми переконалися, що сила взаємодії між зарядженими тілами залежить від ступеня електризації тіл, їх форми і відстані між ними. На практиці немає єдиної формули, яка описувала б електричну взаємодію заряджених тіл за довільних умов. Однак у 1785 р. Шарль Кулон запропонував просту формулу, яка описувала закон взаємодії точкових зарядів у вакуумі.

Точковими зарядами називають заряджені тіла, розміри яких дуже малі порівняно з відстанями, на яких ці тіла взаємодіють.

Подібною ознакою ми скористалися раніше для означення поняття матеріальної точки. У своїх дослідах Кулон використав маленькі заряджені кульки. У крутильних терезах (мал. 126) легке скляне коромисло 2, підвішене на пружній тонкій нитці 1, закінчується з одного боку металевою кулькою З, а з іншого - противагою 6. Через отвір у кришці можна було вносити всередину наелектризовану кульку 4, однакову за розміром з кулькою 3. Дослідник торкався кулькою 4 до кульки 3. При цьому заряд перерозподілявся між цими кульками, і вони відштовхувалися одна від одної. Коромисло поверталося і закручувало нитку доти, доки сила пружності, що виникла в нитці, не врівноважувала силу електричної взаємодії. Повертаючи рукоятку у верхній частині приладу, до якої прикріплено нитку, можна було змінювати кут закручування нитки, у результаті чого змінювалася сила пружності, а внаслідок цього - і відстань між зарядами.

Мал. 126

Кулон визначив: сила електричної взаємодії між точковими зарядами обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Складність експерименту полягала в тому, що вчений не володів точним методом вимірювання заряду на кульках, тому йому довелося застосувати такий прийом. До наелектризованої кульки він торкався незарядженою кулькою такого самого розміру, яку потім віддаляв на значну відстань. Оскільки при цьому заряд розподілявся порівну між обома кульками, заряд пробної кульки зменшувався вдвічі. Виявилося, що в стільки ж разів зменшилась і сила електричної взаємодії.

Виконуючи дослід кілька разів, Кулон дійшов висновку: сила електричної взаємодії пропорційна добутку точкових зарядів, що взаємодіють.

Досліди Кулона були не дуже точними, оскільки кульки мали великі розміри і сила вимірювалася зі значною похибкою (порядку 3 %). Крім того, досліди проводилися в повітрі, що також спотворювало результати експерименту. Вважаючи, що точкові заряди взаємодіють у вакуумі, Кулон сформулював закон, який підтверджується всією сукупністю електричних явищ.

Сила взаємодії між двома нерухомими точковими електричними зарядами прямо пропорційна добутку цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Якщо позначити модулі точкових зарядів через q1 і q2, а відстань між ними - через r, то в СІ модуль сили F електричної взаємодії у вакуумі дорівнюватиме:

де ε - діелектрична стала (для вакууму ε = 1, для різних речовин подається в таблицях).

Інколи використовують електричну сталу у вигляді:

У цьому разі формула для закону Кулона набуває такого вигляду:

Із цієї формули випливає: якщо відстань між двома точковими зарядами становить 1 м і заряд кожного дорівнює 1 Кл, то сила взаємодії між ними у вакуумі дорівнюватиме 9 • 109 Н.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Який заряд називають точковим?
  • 2. Чому Кулон, виконуючи дослід, був упевнений, що електричний заряд змінюється саме вдвічі?
  • 3. Сформулюйте закон Кулона.
  • 4. Чому у формулюванні закону Кулона слід обов’язково користуватися терміном «точковий заряд»?
  • 5. Як визначають одиницю заряду 1 кулон?
  • 6. Чому за одиницю заряду не прийняли заряд електрона?

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Якщо гладити шерсть кішки долонею, можна помітити в темноті невеликі іскорки, які виникають між рукою і шерстю. Яка причина виникнення іскор?

Відповідь: іскри виникають у результаті електризації руки під час тертя об шерсть.

2. Є щітки, які очищують одяг, притягуючи до себе пил. Дайте цьому пояснення.

Відповідь: такі щітки виготовляють зі спеціального матеріалу, який під час тертя сильно електризується.

3. З якою силою взаємодіятимуть два точкових заряди по 10-4 Кл кожний, якщо їх розмістити у вакуумі на відстані 1 м один від одного?

Відповідь: 90 Η.