Βασικά σημεία του νόμου του Coulomb

Ο νόμος του Κουλόμπ περιγράφει τη δύναμη που υπάρχει μεταξύ δύο ακίνητων, ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων, γνωστή και ως ηλεκτροστατική δύναμη.

Ο νόμος του Coulomb δρα κατά μήκος της γραμμής που συνδέει τα δύο κέντρα του φορτισμένου σώματος. Ο νόμος είναι επίσης γνωστός ως νόμος αντίστροφου τετραγώνου του Coulomb επειδή περιγράφει μια σχέση αντίστροφου τετραγώνου μεταξύ δύναμης και απόστασης μεταξύ δύο φορτισμένων οντοτήτων. Ο νόμος του Κουλόμπ θεωρείται ως ηλεκτρικό ισοδύναμο του Παγκόσμιου Νόμου της Βαρύτητας του Νεύτωνα, καθώς η σχέση που προκύπτει είναι αρκετά παρόμοια με τη βαρυτική δύναμη που ενεργεί μεταξύ δύο μεγάλων μαζών.

Τι είναι ο νόμος του Coulomb;

Σύμφωνα με τον νόμο του Κουλόμπ, η ενέργεια μεταξύ δύο φορτισμένων αντικειμένων είναι ανάλογη με τα αντίστοιχα φορτία τους και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση διαχωρισμού τους. Αυτό μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά ως:

F=k * Q1* Q2/ d2

Το αντικείμενο 1 φορτίζεται με Q1 (σε Coulombs), το αντικείμενο 2 φορτίζεται με Q2 και d είναι η απόσταση μεταξύ των δύο αντικειμένων (σε μέτρα). Το γράμμα K αντιπροσωπεύει τη σταθερά k του νόμου του Coulomb.

Η τιμή του k εξαρτάται από το μέσο στο οποίο βυθίζονται τα φορτισμένα αντικείμενα. Όσον αφορά τον αέρα, η τιμή είναι περίπου 9,0 x 109 N /m2 /c2. Στην εξίσωση, το k αντικαθιστά τα Coulomb, αφαιρώντας τις μονάδες απόστασης και φορτίου. Αυτό αφήνει τον Νεύτωνα ως μονάδα δύναμης

Σημαντικές πτυχές του νόμου του Coulomb

• Σύμφωνα με το νόμο του Κουλόμπ, η ηλεκτροστατική δύναμη είναι ευθέως ανάλογη με το γινόμενο του μεγέθους των δύο σημειακών φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της απόστασης μεταξύ τους.
• Η μονάδα SI είναι k = 1/4₀ και η τιμή της είναι 9 × 109 N m2/ C2. Το ∈0 δηλώνει τη διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου ή του κενού και η τιμή του ∈0 είναι 8,85 × 10-12 C2N-1m-2.
• Το φορτίο q1 ασκεί πάντα μια δύναμη στο φορτίο q2 κατά μήκος της γραμμής που συνδέει τα δύο φορτία. Το r12 είναι το μοναδιαίο διάνυσμα που δείχνει από το φορτίο q1 στο q2. Και η δύναμη στο φορτίο q1 που ασκείται από το q2 είναι κατά μήκος – r12.
• Στις μονάδες SI, ο νόμος του Κουλόμπ στο κενό παίρνει τη μορφή F21=1/4₀.q1.q2/ r2 r21ˆ . Σε μια μέση διαπερατότητα ∈, η δύναμη μεταξύ δύο σημειακών φορτίων δίνεται από  F21=1/4.q1 .q2/ r2 r21ˆ.

Η σχετική διαπερατότητα για ένα δεδομένο μέσο ως ∈r = /₀. Για κενό ή αέρα  ∈r =1 και για όλα τα άλλα μέσα ∈r > 1.

• Η δύναμη μεταξύ δύο σημειακών φορτίων σε ένα μέσο διαφορετικό από το κενό είναι πάντα μικρότερη από τη δύναμη στο κενό αφού, ∈> ∈0.
• Όταν δύο φορτία ενός Κουλόμπ χωρίζονται από απόσταση 1 m, η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ τους υπολογίζεται ως εξής:

|F| =9×109×1×1 / 12=9 × 109N

• Πρόκειται για μια τεράστια ποσότητα, σχεδόν ισοδύναμη με το βάρος ενός εκατομμυρίου τόνων. Δεν συναντάμε ποτέ στην πράξη χρέωση 1 Coulomb. Τα ηλεκτρικά φορτία σε καθημερινή βάση μπορούν να μετρηθούν σε μικροκουλόμπ ή νανοκουλόμπ.
• Ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα έχει την ίδια δομή με τον νόμο του Κουλόμπ. Τα δύο είναι αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των σωματιδίων. Δύο σημεία φορτίου παράγουν ηλεκτροστατική δύναμη ευθέως ανάλογη με το μέγεθός τους και δύο μάζες παράγουν μια βαρυτική δύναμη ευθέως ανάλογη με το μέγεθός τους. Ωστόσο, αυτοί οι νόμοι διαφέρουν κατά πολλούς σημαντικούς τρόπους.
• Μια βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο μαζών είναι πάντα ελκυστική, ενώ η δύναμη Coulomb μεταξύ δύο φορτίων μπορεί να είναι είτε ελκυστική είτε απωθητική, με βάση τον τρόπο διάταξης των φορτίων.
• Η τιμή της σταθεράς βαρύτητας G =6,67 × 10-11 Nm2kg-2. Η τιμή της σταθεράς k στο νόμο του Κουλόμπ είναι k =9 × 109  Nm2C-2. Επειδή το k είναι πολύ μεγαλύτερο από το G, η ηλεκτροστατική δύναμη είναι πάντα μεγαλύτερη σε μέγεθος από τη βαρυτική δύναμη για αντικείμενα μικρότερου μεγέθους.
• Δύο μάζες έλκονται από τη βαρυτική τους δύναμη ανεξάρτητα από το μέσο στο οποίο βρίσκονται. Η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο μαζών παραμένει η ίδια εάν 1 kg από κάθε μάζα διατηρείται στον αέρα ή στο νερό. Στην πραγματικότητα, η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ δύο φορτίων εξαρτάται από το μέσο στο οποίο διατηρούνται σε ηρεμία.
• Ένα ηλεκτρικό φορτίο q1 ασκείται από ένα σημειακό φορτίο q2.

F12→=1/4₀.Q1.Q2/ r2 r12ˆ

Επειδή, r21= r2 – r1

F12→=1/4₀.Q1.Q2/ r2 ( -r21ˆ)

=– 1/4₀.Q1.Q2/ r2 r21ˆ

F12= – F21

Ως αποτέλεσμα, οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις υπακούουν στον τρίτο νόμο του Νεύτωνα.

• Ισχύει μόνο για σημειακά φορτία ότι μπορεί να εκφραστεί η δύναμη Coulomb. Ωστόσο, οι χρεώσεις πόντων εξιδανικεύονται. Ωστόσο, ο νόμος του Coulomb μπορεί να εφαρμοστεί σε δύο φορτισμένα αντικείμενα των οποίων τα μεγέθη είναι πολύ μικρότερα από την απόσταση μεταξύ τους. Ο πρώτος νόμος του Κουλόμπ ανακαλύφθηκε ως αποτέλεσμα της εξέτασης των φορτισμένων σφαιρών του ισοζυγίου στρέψης ως σημειακά φορτία. Δύο φορτισμένες σφαίρες χωρίζονται από απόσταση που είναι πολύ μεγαλύτερη από την ακτίνα τους.

Συμπέρασμα

Η ηλεκτρική δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο του νόμου του Κουλόμπ. Επιπλέον, αυτός ο νόμος χρησιμοποιείται για την ακριβή εξαγωγή του νόμου του Gauss για γενικές περιπτώσεις. Τα φορτία σε ηρεμία ασκούν τις ακόλουθες ιδιότητες σύμφωνα με το νόμο του Coulomb - όπου παρόμοια φορτία απωθούν το ένα το άλλο και σε αντίθεση με τα φορτία ελκύονται το ένα το άλλο. Η διανυσματική μορφή του νόμου του Κουλόμπ παρέχει την κατεύθυνση των ηλεκτρικών πεδίων που προκαλούνται από φορτία. Δύο αρνητικά φορτία απωθούν το ένα το άλλο, ενώ ένα θετικό φορτίο έλκει ένα αρνητικό φορτίο. Στη φυσική, τα φορτία ενεργούν σύμφωνα με τις γραμμές έλξης τους.