Закон Кулона - малюнок

Закон Кулона — визначення, історія, формули



У науці існують закони, на яких будуються подальші досліди вчених. Відкриття Ньютона, що стосується гравітаційного зв’язку матеріальних точок з певною масою, лежить в основі теорії руху планет.

Закон Кулона описує сили взаємодії електричних зарядів. Відкриття французького дослідника дало поштовх розвитку електромагнетизму. Цікаво, що одиниці виміру сили, описуваної обома законами, носять імена великих вчених, які відкрили ці природні закономірності.

Графічне і формульне вираження закону Кулона

Передісторія кулонівського відкриття

Ще в VII столітті до н. е. давньогрецький філософ Фалес з Мілета звернув увагу на властивість бурштину, натертого шерстю, притягувати легкі предмети. У 1600 році Вільям Гілберт, придворний лікар англійської королеви Єлизавети I, ввів термін «Електрика», коли вивчав електромагнітні явища.

В кінці XVII століття інженер з Магдебурга Отто фон Геріке виявив ефект відштовхування наелектризованих тіл. У 1746 році нідерландський фізик П. ван Мушенбрук сконструював «лейденську банку» — прообраз сучасного радіотехнічного конденсатора.

У Росії вивченням атмосферної електрики займалися М. В. Ломоносов і Г. В. Ріхман. Американець Б. Франклін в 1747 році створює першу теорію, що описує елементарні властивості електричних зарядів. З середини XVIII століття дослідники впритул підходять до виявлення залежності сили, що діє між зарядженими тілами, від відстані між ними. Вчені, роботи яких передували відкриттю Кулона:

  • У 1759 році професор Ф. Еппіус з Академії наук в Санкт-Петербурзі висловив гіпотезу про обернено пропорційну залежність електричної сили від відстані.
  • Швейцарський математик і механік Д. Бернуллі встановив закон квадратичності за допомогою електрометра в 1760 році.
  • У 1767 році англієць Дж. Прістлі висловив думку, що електричне тяжіння предметів підпорядковується закону, аналогічному закону всесвітнього тяжіння.
  • Фізик з Единбурга Д. Робісон в 1769 році встановив, що заряджені електрикою кулі взаємодіють між собою. При цьому предмети з однойменним зарядом відштовхуються, а тіла з різнойменними зарядами рухаються назустріч один одному.
Шарль Огюстен Кулон
Шарль Огюстен Кулон

Біографія Шарля Оґюстена Кулона

14 червня 1736 року в Анрі Кулона і Катріни Баже, що жили в цей час на південному заході Франції в Ангулемі, народився син. Хлопчика назвали Шарлем Оґюстеном. Незабаром після народження дитини сім’я переїхала до Парижа. Тут батькові сімейства, колишньому військовому, належало стати державним чиновником.

Початкову освіту Шарль отримав у коледжі Чотирьох Націй, створеному на честь об’єднання 4-х провінцій під владою французького короля. Навчальний заклад, який побудували в 1688 році за заповітом і на кошти кардинала Мазаріні, також носив ім’я церковного ієрарха.

У кращій Паризькій школі того часу навчалися вихідці з дворянських сімей чоловічої статі від 10 до 15 років. Пріоритетною дисципліною вважалася математика. У число викладачів входили:

  • астроном Ж. Деліл;
  • філософ Ж. Даламбер;
  • хімік А. Лавуазьє.

Мати Кулона мріяла про медичну або юридичну кар’єру для сина. Небажання юнака підкоритися волі матері призводить до від’їзду Шарля з Парижа на батьківщину батька в місто Монпельє. Тут жив Анрі після того, як розорився через невдалі спекуляції. Молода людина стає членом міського Королівського наукового товариства, представивши роботи з математики та астрономії.

Щоб мати постійне і надійне джерело доходів, за порадою батька Шарль вступає в Мезьєрську школу військових інженерів, яку закінчує в 1761 році. У чині старшого лейтенанта Кулон направляється на західне узбережжя Франції і починає службу в Бресті, де займається картографією і перебудовою берегових укріплень.

З 1764 по 1772 рік майбутній дослідник очолює будівництво форту Бурбон в колонії на острові Мартініка в Карибському морі.

Крутильні терези Кулона
Крутильні терези Кулона

Після повернення на батьківщину Кулон, який отримав звання капітана, служить в гарнізонах французької армії — в Бушені, Шербурі, Рошфорі і Ліллі. У інженера з’являється вільний час, який віддається науковим вишукуванням і написання трактатів. Темами досліджень стають:

  • технічна механіка;
  • магнетизм;
  • кручення матеріалів;
  • тертя кочення і ковзання.

Восени 1781 року офіцера переводять по службі в Париж і призначають консультантом з військово-інженерних питань. Одночасно Кулона обирають до столичної Академії наук. З 1784 року Шарль виконує обов’язки головного інтенданта вод і фонтанів Королівства Франції.

Водночас проводяться експерименти з вивчення електростатичного тяжіння. У 1791 році підполковник Кулон виходить у відставку.

Політичні потрясіння у Франції в кінці XVIII століття змушують Кулона покинути Париж і тимчасово оселитися в маєтку недалеко від міста Блуа.

З приходом до влади Наполеона Бонапарта Кулон повертається до громадської роботи в Академії наук. Численні поїздки по країні, пов’язані з системою народної освіти, підривають здоров’я вченого. Шарль Огюстен де Кулон помер у Парижі 23 серпня 1806 року.

Закон кулона - формули і визначення

Основний закон електростатики

У 1785 році Кулон представив в Паризьку академію наук доповідь, в якій описував пристрій і застосування сконструйованих ним електричних ваг. Принцип дії механізму заснований на крутильних властивостях металевого дроту. Працюючи над конструкцією приладу, дослідник звернув увагу на залежність сили, що діє на предмети, від відстані між ними.

Визначення закону, відкритого французьким вченим, говорить:

Дві однакові кульки, заряджені електрикою однієї полярності, відштовхуються одна від одної з силою, величина якої обернено пропорційна квадрату відстані між центральними точками куль.

Буквальне виконання правила залежить від трьох обставин. Умови, необхідні для виконання Закону:

  • розмір зарядів в кілька разів менше відстані між ними, тобто вони повинні бути точковими;
  • нерухомість;
  • заряди поміщені у вакуум.

Поняття про точковий заряд

Математичний вираз закону Кулона

Закон Кулона, формула якого нагадує математичне формулювання ньютонівського закону всесвітнього тяжіння, належить до числа фундаментальних. Це означає, що в основі відкриття лежать експериментальні дослідження. Крім того, виявлені закономірності не випливають з іншого закону фізики. Закон взаємодії двох електричних зарядів у вакуумі описує формула

F = k ∙ (q₁ ∙ Q₂) ∕ R²

де:

  • F – кулонова сила;
  • k – коефіцієнт пропорційності в законі Кулона;
  • q₁, q₂ – електричний заряд кожного тіла, вимірюваний в кулонах;
  • r – відстань між тілами.

Особливості взаємодії електричних зарядів

Коефіцієнт пропорційності k = 9 ∙ 10⁹ розраховується з рівняння

k = 1 ∕ 4πε₀

де

  • ε₀ — електрична постійна, рівна 8,85 ∙ 10-12.

З урахуванням діелектричної проникності середовища ε, в яку поміщені предмети, формула Кулона приймає повний вигляд:

F = (q₁ ∙ q₂) ∕ 4πε₀ε r2

Коефіцієнт ε показує, у скільки разів слабшає сила кулона. Наприклад, для гасу ε = 2,1, а для сірчаної кислоти ε = 101. Це означає, що тіла, занурені в гас, взаємодіють з силою у 2,1 раза менше, ніж у вакуумі, а в сірчаній кислоті F знизиться в 101 рази.

Закон Кулона у векторній формі виглядає наступним чином:

F ̅₁₂ = [k ∙ (q₁ ∙ q₂) ∕ r ₁₂2] ∙ (r ̄₁₂ ∕ r ₁₂)

де:

  • F ̅₁₂ – вектор сили, що діє на другий заряд з боку першого;
  • r ̄₁₂ – радіус вектора, спрямований від першого заряду до другого і по модулю рівний відстані між зарядженими частинками.

Електричний заряд створює в просторі навколо себе поле, яке характеризується напруженістю.

Якщо в нього помістити заряджену частинку, то з’являється потенційна енергія, здатна здійснювати роботу по переміщенню цієї частинки. Потенціал, що характеризує енергетичний стан кожної точки поля, визначає кількість роботи, яка відбувається при русі заряду в електростатичному полі.

Будова крутильних терезів

Історичне значення

Відкриття, зроблене Шарлем Кулоном, дало поштовх подальшим дослідженням в області електричної енергії. Досягнення науки надали прискорення використанню електротехніки в житті людства. Вчені, які продовжили роботи з вивчення електрики:

  • Ханс Крістіан Ерстед вивчав вплив електроструму на стрілку компаса;
  • Ампер досліджував рух електрики;
  • М. Фарадей відкрив явище електролізу.

Кулон заклав основи електростатики. На роботи вченого спираються положення магнітостатики. Експерименти, проведені Шарлем Огюстеном, мають фундаментальне і прикладне значення. Досліди француза створили методику обчислення одиниці заряду за допомогою величин, які використовуються в механіці, — відстані і сили.

Кулон першим сформулював мовою математики взаємодію заряджених частинок.

Дослідники електричного поля

Розв’язання практичних задач

Дві однакові кулі, одна з яких має електричний заряд, зтикаються. Відстань між предметами стає рівною 15 см. Відомо, що заряджене тіло впливає на незаряджену кулю з силою F = 1 мН. Потрібно визначити початковий заряд активної кулі.

При контакті куль електричний заряд розділяється навпіл. За даною величиною сили відштовхування визначається зарядженість обох предметів. Перетворення формули Кулона дає математичний вираз

q2= (F ∙ r2) ∕ k

Підставивши чисельні значення, отримуємо заряд кожної кулі q = √ [10-3 ∙ (0,15) 2] ∕ 9 ∙ 10⁹ = 5 ∙ 10⁻⁸ Кл. Зарядженість предмета до зіткнення була вдвічі більше, тобто 10 ∙ 10⁻⁸ Кл.

Не може не вселяти глибокої поваги життя, присвячене служінню Вітчизні. Але особливе захоплення викликає праця, спрямована на поглиблення знання людства про закони природи.

На I Міжнародному електричному конгресі, який проходив 1881 році в Парижі, одиницям електротехнічних вимірювань присвоїли прізвища вчених, які відкрили їх. Кулон цей очолює список.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *