Кулона закон

КУЛОНА ЗАКОН, один из основных законов электростатики, определяет силу взаимодействия в вакууме двух неподвижных точечных зарядов q₁ и q₂, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними. Кулона закон задаётся выражением

где F_1,2 – сила, с которой заряд q₁ действует на заряд q₂, r_1,2 - вектор, проведённый от заряда q₁ к заряду q₂, r_1,2 – величина этого вектора, равная расстоянию между зарядами, k – численный коэффициент, зависящий от выбора единиц измерений. В системе единиц Гаусса k=1; в СИ k = 1/(4πε₀), где ε₀ – электрическая постоянная. Сила, с которой заряд q₂ действует на заряд q₁, равна по величине и противоположна по направлению силе F_1,2 и также лежит на прямой, соединяющей точечные заряды q₁ и q₂. Заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков – притягиваются друг к другу. Если заряды поместить в однородный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε, то по сравнению с вакуумом сила взаимодействия между зарядами уменьшится в 6 раз. Из Кулона закона следует, что потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов пропорциональна r^–1_1,2. Следствием и обобщением Кулона закона является Гаусса теорема, входящая в систему Максвелла уравнений, являющихся основными уравнениями классической электродинамики.

Кулона закон  открыт в 1785 году Ш. Кулоном с помощью изобретённых им крутильных весов. Более точно обратная пропорциональность силы взаимодействия зарядов квадрату расстояния между ними проверялась Кулоном при исследовании периода колебаний горизонтального стержня с зарядом на конце, помещённого на различных расстояниях от заряженного шара. Ещё раньше (1772) закон обратных квадратов установил в своей неопубликованной работе Г. Кавендиш, проверяя полученное им следствие этого закона – отсутствие электростатического поля внутри заряженной металлической сферы. Последующие эксперименты по методу Кавендиша уточнили, что показатель степени r_1,2 в Кулона законе не может отличаться от -2 более чем на 6·10^–16.

Из экспериментов по рассеянию α-частиц следует, что Кулона закон  не нарушается вплоть до расстояний 10^–12 см, но в этой области пространственных масштабов действуют законы квантовой физики. Кулона закон можно считать одним из предельных следствий квантовой электродинамики (КЭД), поэтому справедливость предсказаний КЭД одновременно служит подтверждением Кулона закона. Эксперименты по аннигиляции электронов и позитронов показали, что КЭД и, следовательно, Кулона законы остаются справедливыми при уменьшении расстояний между зарядами вплоть до 10^-18 м.

Кулона законом  называется и установленный Кулоном закон, определяющий силу взаимодействия двух магнитных полюсов [реально (из-за отсутствия в природе отдельных магнитных полюсов) - ближних концов двух длинных магнитов]: F = fm₁m₂/(μr²), где m₁ и m₂ - так называемые магнитные заряды, f - магнитная проницаемость среды, f -коэффициент, зависящий от выбора системы единиц.

Термин «Кулона закон» применяется также к установленным Кулоном законам, описывающим силу трения скольжения: F = -μNV/V (μ - коэффициент трения скольжения, V - скорость скольжения тела относительно поверхности, N - сила нормальной реакции опоры), а также момент силы трения качения: М = fN/R (f - коэффициент трения качения, R - радиус катящегося тела).

Лит.: Сивухин Д. В. Общий курс физики. 5-е изд. М., 2006. Т. 3: Электричество.