Закон Кулона

Закон Шарля Огюсте́на де
Куло́ на

Шарль Огюсте́н де
Куло́ н (фр. Charles-Augustin de
Coulomb, 14 июня 1736— 23
августа 1806) — французский
военныйинженер и учёныйфизик, исследователь
электромагнитных и
механических явлений; член
Парижской Академии наук. Его
именем названы единица
электрического заряда и
закон взаимодействия
электрических зарядов.

Ещё в начале 1770-х годов, вернувшись с Мартиники,
Кулон активно занялся научными исследованиями.
Публиковал работы по технической механике (статика
сооружений, теория ветряных мельниц, механические
аспекты кручения нитей и т. п.). Кулон сформулировал
законы кручения; изобрёл крутильные весы, которые
сам же применил для измерения электрических и
магнитных сил взаимодействия. В 1781 году описал
опыты по трению скольжения и качения и
сформулировал законы сухого трения. В том же году
стал членом Парижской Академии наук.
С 1785 по 1789 год опубликовал семь мемуаров, где
сформулировал закон взаимодействия электрических
зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), а также
закономерность распределения электрических зарядов
на поверхности проводника. Ввёл понятия магнитного
момента и поляризации зарядов. В 1789 году у него
вышел труд по теории трения скольжения (Théorie des
machines simples, en ayant égard au frottement de leurs
parties et à la roideur des cordages).


Уже после революции Академия наук неоднократно
вызывала учёного в Париж для участия в определении
мер и весов (инициатива революционного
правительства). Кулон стал одним из первых членов
Крутильные весы Кулона
Национального института, заменившего академию.
В1802 году был назначен инспектором общественных
сооружений, но здоровье, подорванное на службе, не
позволило учёному существенно проявить себя на этой
должности.
Кулон скончался 23 августа 1806 году в Париже. Его имя
внесено в список величайших учёных Франции,
помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.




Зако́ н Куло́ на — это закон, описывающий
силы взаимодействия между
неподвижными точечными электрическими
зарядами. Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г.
Проведя большое количество опытов с
металлическими шариками, Шарль Кулон дал
такую формулировку закона:
Модуль силы взаимодействия двух точечных
зарядов в вакууме прямо пропорционален
произведению модулей этих зарядов и обратно
пропорционален квадрату расстояния между
ними.
Современная формулировка:
Сила взаимодействия двух точечных зарядов в
вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей
эти заряды, пропорциональна их величинам и
обратно пропорциональна квадрату расстояния
между ними. Она является силой притяжения,
если знаки зарядов разные, и силой
отталкивания, если эти знаки одинаковы.
В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон
записывается следующим образом:

где
— сила, с которой заряд 1
действует на заряд 2;
— величина
зарядов;
— радиус-вектор (вектор,
направленный от заряда 1 к заряду 2, и
равный, по модулю, расстоянию между
зарядами — ); k — коэффициент
пропорциональности.
Прибор Кулона



Коэффициент пропорциональности k в законе
Кулона зависит от выбора системы единиц. В
Международной системе СИ за единицу заряда
принят кулон (Кл).
Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через
поперечное сечение проводника при силе тока
1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является
наряду с единицами длины, времени и
массы основной единицей измерения.
Коэффициент k в системе СИ обычно
записывают в виде:
где
– электрическая постоянная.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
e=1,602177·10–19Кл≈1,6·10–19Кл.
Силы взаимодействия
одноименных и разноименных
зарядов

Если заряженное тело
взаимодействует одновременно с
несколькими заряженными телами,
то результирующая сила,
действующая на данное тело, равна
векторной сумме сил, действующих
на это тело со стороны всех других
заряженных тел. Рисунок поясняет
принцип суперпозиции на примере
электростатического взаимодействия трех
заряженных тел.
Принцип суперпозиции электростатических сил
Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его
применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о
взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих
заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти
третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится изза перераспределения зарядов.
Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном)
распределении
зарядов
на
всех
телах
силы
электростатического
взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других
заряженных тел.
Закон Кулона в квантовой механике


В квантовой механике закон Кулона формулируется не
при помощи понятия силы, как в классической механике, а
при помощи понятия потенциальной энергии кулоновского
взаимодействия. В случае, когда рассматриваемая в
квантовой механике система содержит электрически
заряженные частицы, к оператору Гамильтона системы
добавляются слагаемые, выражающие потенциальную
энергию кулоновского взаимодействия, так, как она
вычисляется в классической механике.[3]
Так, оператор Гамильтона атома с зарядом ядра Z имеет
вид:
Здесь m — масса электрона, е — его заряд,
— абсолютная величина радиус-вектора j-го электрона
,
а
. Первое слагаемое выражает кинетическую энергию электронов, второе слагаемое —
потенциальную энергию кулоновского взаимодействия электронов с ядром и третье слагаемое — потенциальную
кулоновскую энергию взаимного отталкивания электронов. Суммирование в первом и втором слагаемом ведется по
всем Z электронам. В третьем слагаемом суммирование идёт по всем парам электронов, причём каждая пара
встречается однократно[4].
Закон Кулона с точки зрения
квантовой электродинамики

Согласно квантовой электродинамике, электромагнитное
взаимодействие заряженных частиц осуществляется путём
обмена виртуальными фотонами между частицами. Принцип
неопределённости для времени и энергии допускает
существование виртуальных фотонов на время между моментами
их испускания и поглощения. Чем меньше расстояние между
заряженными частицами, тем меньшее время нужно
виртуальным фотонам для преодоления этого расстояния и
следовательно, тем большая энергия виртуальных фотонов
допускается принципом неопределенности. При малых
расстояниях между зарядами принцип неопределённости
допускает обмен как длинноволновыми, так и коротковолновыми
фотонами, а при больших расстояниях в обмене участвуют
только длинноволновые фотоны. Таким образом, с помощью
квантовой электродинамики можно вывести закон Кулона.
Закон Кулона, принцип суперпозиции и
уравнения Максвелла

Закон Кулона и принцип
суперпозиции для электрических
полей полностью равносильны уравнениям
Максвелла для электростатики
и
.
То есть закон Кулона и принцип суперпозиции
для электрических полей выполняются тогда и
только тогда, когда выполняются уравнения
Максвелла для электростатики и, наоборот,
уравнения Максвелла для электростатики
выполняются тогда и только тогда, когда
выполняются закон Кулона и принцип
суперпозиции для электрических полей

Презентацию подготовила ученица
10 класса средней школы №6
Краснова Татьяна.