1.2. Закон Кулона: как взаимодействуют электрические заряды?

Теория электрических цепей  /  1.2. Закон Кулона: как взаимодействуют электрические заряды?

Ещё в XVIII веке учёные заметили: сила, с которой два заряженных тела притягиваются или отталкиваются, зависит от величины их зарядов и расстояния между ними. Эту зависимость экспериментально установил французский физик Шарль Огюстен Кулон — и сегодня она известна как закон Кулона.

---

Что гласит закон Кулона?

Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула закона Кулона:

где
F — сила взаимодействия (в ньютонах, Н); 
Q1 и Q2 — величины зарядов (в кулонах, Кл);
R — расстояние между центрами зарядов (в метрах, м);
εa — расстояние между центрами зарядов (в метрах, м);

💡 Если заряды одноимённые — сила отталкивания (положительная). Если разноимённые — сила притяжения (отрицательная).

---

Как упростить формулу? Введение относительной диэлектрической проницаемости

Поскольку абсолютная диэлектрическая проницаемость ${\epsilon }_a$ равна произведению двух величин:

где

ε₀ — диэлектрическая постоянная вакуума (или воздуха), равная $8,85\times 10^{-12}$ Ф/м,

εr — относительная диэлектрическая проницаемость среды — безразмерная величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов уменьшается в данной среде по сравнению с вакуумом.

Тогда закон Кулона можно записать в более удобном виде:

Это значит: чем больше ${\epsilon }_r$ , тем слабее взаимодействие зарядов. Например, в воде (${\epsilon }_r=80$ ) сила будет в 80 раз меньше, чем в вакууме!

Таблица диэлектрической проницаемости материалов

💡 Почему это важно?
При решении задач по физике, особенно в электростатике, нужно всегда учитывать среду. Например, если заряды находятся в воде — сила взаимодействия будет в 80 раз слабее, чем в воздухе.

---

Единица измерения диэлектрической проницаемости — фарад на метр (Ф/м)

Диэлектрическая проницаемость вакуума ${\epsilon }_0$ равна $8,85\times 10^{-12}$ Ф/м.
Единица «фарад» (Ф) — это единица электрической ёмкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867), одного из основоположников электромагнетизма.

📌 Интересный факт: На практике чаще используют относительную диэлектрическую проницаемость ${\epsilon }_r$ , потому что она безразмерна и легко сравнима — например, вода имеет ${\epsilon }_r=80$ , а воздух — всего 1.

---

Почему это нужно знать?

Закон Кулона — это основа электростатики. Без него невозможно понять:
- как работают конденсаторы;
- почему заряды в проводниках распределяются по поверхности;
- как устроены электрические поля;
- как работает электромагнитная индукция.

Это также база для решения задач ЕГЭ, ГИА, олимпиад и лабораторных работ.