Prawo Coulomba Autor: Dawid Soprych

Oddziaływanie elektrostatyczne Oddziaływanie elektrostatyczne odkryte zostało w starożytności. Stwierdzono wtedy, że bursztyn2.1, potarty wełną, przyciąga skrawki wełnianych nitek. Dalsze badania pozwoliły stwierdzić, że istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych, tradycyjnie nazywane dodatnimi i ujemnymi. Ciała naładowane takimi samymi ładunkami odpychają się, ciała naładowane ładunkami przeciwnymi przyciągają się. Dzisiaj wiemy, że ładunek jest podstawową właściwością niektórych cząstek elementarnych. Materia tworząca otaczający nas świat składają się z dodatnich protonów, ujemnych elektronów i neutralnych neutronów. Wartości ładunku elektronu i protonu są jednakowe. Ciało naładowane dodatnio ma więcej protonów niż elektronów. Ciało naładowane ujemnie ma więcej elektronów niż protonów (patrz też dalej).

Sformułowanie prawa Coulomba Badając oddziaływanie ciał naelektryzowanych, Coulomb stwierdził (w 1785 roku), że dla dwóch ładunków elektrycznych o zaniedbywalnych rozmiarach geometryczny: wartość siły jest proporcjonalna do iloczynu ładunków, czyli: —> wartość siły jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy ładunkami , siła ma kierunek prostej, łączącej ładunki.

Wyrażenie na wartość siły - bez uwzględnienia kierunku - w obecnie używanym układzie SI zapisujemy wzorem:↓

Wektorowe wyrażenie na siłę - z uwzględnieniem kierunku i zwrotu - ma postać:→ gdzie wektor jednostkowy (wersor) określa kierunek siły (rys. 2.1). Stałą nazywamy przenikalnością dielektryczną próżni. Jest ona równa w przybliżeniu:→

Rysunek 2.1: Ilustracja prawa Coulomba.

Jednostka ładunku Obecnie używaną jednostką ładunku elektrycznego jest jeden kulomb Definiujemy go jako iloczyn jednego ampera przez jedna sekundę : Niestety nie możemy teraz podać precyzyjnej definicji ampera, bo do tego potrzebne jest nam wyrażenie na siłę, którą oddziałują na siebie przewody, w których płyną prądy elektryczne. Wrócimy do tej sprawy w paragrafie #.

Kulomb jest bardzo dużą jednostką Uzmysłówmy sobie, jaka siła działałaby pomiędzy dwoma ładunkami o wartości umieszczonymi w odległości 1 metra. Ze wzorów (2.1) i (2.4) obliczamy natychmiast, że byłaby to siła o wartości około Taką siłą Ziemia przyciąga w przybliżeniu masę . Masę taką ma sześcian wodny o boku Jest to siła - w ludzkiej skali - bardzo duża. Uzmysławia nam to, że w typowych doświadczeniach z elektrostatyki mamy do czynienia z ładunkami o rzędy mniejszymi od jednego kulomba.

Ładunki w typowych doświadczeniach z elektrostatyki Można zadać pytanie: z jakimi ładunkami mamy do czynienia w typowych doświadczeniach z elektrostatyki? Oszacujmy to na prostym przykładzie: Dwie piłeczki pingpongowe o masach zawieszono na niciach o długości w jednym punkcie. Po naelektryzowaniu piłeczek jednakowymi ładunkami oddaliły się od siebie tak, że odległość pomiędzy ich środkami stała się równa (rys. 2.2). Jaka jest wartość ładunku ?

Rysunek 2.2: Odpychające się naelektryzowane kuleczki. Spójrzmy na rysunek. Stosując twierdzenie Pitagorasa do dużego trójkąta i korzystając z podobieństwa trójkątów możemy napisać, że stosunek wartości siły elektrostatycznej

do wartości siły przyciągania ziemskiego jest równy: ↓

Stąd:

Podstawiając wartości liczbowe otrzymujemy ( ):

Widać, ze w typowych doświadczeniach z elektrostatyki mamy do czynienia z ładunkami o rzędy mniejszymi od jednego kulomba. Podobnie jest i w typowych zjawiskach elektrostatycznych z życia codziennego, jak elektryzowanie się włosów przy czesaniu plastikowym grzebieniem.

KONIEC