§ 5. Взаємодія заряджених тіл

ЗАКОН КУЛОНА

Тривалий час дослідники лише описували, яких зарядів набувають тіла за тих чи інших умов, відкривали нові пари речовин, які електризуються, набуваючи того чи іншого заряду. Висувалися різні гіпотези щодо пояснення електричних явищ та особливостей їхньої взаємодії.

Результати досліджень взаємодії заряджених тіл свідчать, що сили взаємодії між ними істотно залежать від розмірів і форми тіл. Якщо розміри заряджених тіл дуже малі порівняно з відстанню між ним, то сили електричної взаємодії можна описати досить просто. Заряджені тіла, розмірами яких можна знехтувати порівняно з відстанню між ними, називають точковими зарядами.

У 1785 р. французьким ученим Ш. Кулоном (1736—1806 рр.) експериментально встановлено закон взаємодії для двох точкових зарядів.

Він досліджував пружні властивості тіл і відкрив закон пружного кручення та винайшов чутливі крутильні терези, які давали змогу вимірювати малі сили. Ці терези й були використані для дослідження взаємодії маленьких заряджених кульок, які можна було вважати точковими зарядами.

Унаслідок кропіткого експерименту Ш. Кулон встановив закон, який дав змогу розпочати кількісні дослідження електричних явищ.

Сили, з якими взаємодіють два нерухомі точкові заряди, прямо пропорційні добутку значень цих зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними.

Якщо заряди тіл позначити відповідно q₁ і q₂, а відстань між ними r, то закон Кулона можна записати у такому вигляді:

Тут k — коефіцієнт пропорційності, який залежить від вибору системи одиниць і середовища, в якому знаходяться заряди.

У CI одиницею заряду є кулон, а одиницею відстані — метр. Якщо заряд кожного з точкових тіл дорівнює 1 Кл, а відстань між ними — 1 м, то k можна легко визначити:

Коли точкові заряди знаходяться у повітрі, взаємодія між ними практично не відрізняється від їхньої взаємодії у вакуумі. А от гас, трансформаторне масло, слюда, скло послаблюють взаємодію між точковими зарядами у кілька разів.

Ви, мабуть, помітили, що закон Кулона, який визначає сили взаємодії між тілами і частинками, які мають заряди, нагадує закон всесвітнього тяжіння. Сили всесвітнього тяжіння так само спричиняють взаємодію тіл, але завдяки іншій властивості — масі. Проте гравітаційна і електрична взаємо-

дії істотно розрізняються. Заряджені тіла можуть як притягуватися, так і відштовхуватися залежно від знаків їхніх зарядів. Гравітаційні сили — це завжди сили притягання. Сили електричної взаємодії значно більші, ніж гравітаційні. Помітити гравітаційну взаємодію між двома ебонітовими паличками неможливо. Проте достатньо потерти ці палички, підвішені на нитках, клаптиком вовняної тканини, і вони починають відштовхуватися.

Конструкція крутильних (їх ще називають торсій-ними) терезів, виготовлених ПІ. Кулоном, зображена на мал. 2.12. На довгій тонкій срібній нитці під'- - ^ вішене легеньке коромисло, на кінцях якого закріплені й урівноважені маленькі металеві кульки. У верхній частині корпусу приладу є отвір, через який уводилась, закріплена на металевому стрижні, така сама кулька, як і на коромислі. Кульку на стрижні заряджали.

Кульки, дотикаючись одна до одної, набували однакових зарядів і відштовхувалися одна від одної на деяку відстань.

Срібна дротина закручувалася на деякий кут. За кутом повороту коромисла можна визначати сили пружності, які виникали в срібній дротині і, відповідно, сили електричної взаємодії, що діяли на кульки при різних відстанях між ними. Виявилося, що сили їхньої взаємодії обернено пропорційні квадрату відстаней між ними:

Скориставшись тим, що заряд, якого набувають кульки, можна поділити у 2, 4 і т. д. разів (пригадайте, як ділився заряд на однакових електрометрах), Ш. Кулон встановив: сили, з яким взаємодіють два точкові заряджені тіла, прямо пропорційні добутку їхніх зарядів:

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Які заряди називають точковими?

2.    Сформулюйте закон Кулона.

3.    Чому чисельно дорівнює коефіцієнт пропорційності в законі Кулона?

4.    Чим розрізняються гравітаційна і електрична взаємодії?

5.    Відстань між двома точковими зарядами збільшилася у два рази. Як змінилися сили взаємодії між ними?

6.    Заряд кожного з точкових тіл збільшили в два рази, як змінилися сили взаємодії між ними?

7.    З якою силою взаємодіють два електрони, якщо вони знаходяться на відстані 1 м один від одного у вакуумі?

8.    Два тіла, які мають заряди 4 · 10^-9 Кл кожне, розташовані на відстані 40 см одне від одного. Визначте електричні сили взаємодії між цими тілами.

9.    Дві однакові кульки, які можна вважати точковими, мають заряди Q₁ = 4 · 10 ⁸ Кп і q₂ = 8 · 10 ⁸ Кл і розміщені на відстані 30 см одна від одної. Яка електрична сила діє на кожне з цих тіл? Які сили діятимуть між ними, якщо їх доторкнути одне до одного, а потім знову розвести на ту саму відстань?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко