庫倫定律

庫倫定律

庫侖定律的常見表述是:真空中兩個靜止的點電荷之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比,作用力的方向在它們的連線上,同名電荷相斥,異名電荷相吸。該定律由法國物理學家庫侖於1785年在《電力定律》一論文中提出。庫侖定律是電學發展史上的第一個定量規律,是電磁學和電磁場理論的基本定律之一。

基本信息

概念

在真空中,兩個分別帶有電量q1,q2,距離為r的點電荷,期間的吸引或排斥的靜電力為F=kq1q2/r^2 (庫倫定律)其中k為常數(K=8.9880*10^9Nm^2C^-2).
每個粒子均對另一個粒子施以此大小的力;這個力形成了一對作用力與反作用力.若粒子均帶正電或負電則產生排斥力,若兩粒子為相反之帶電,則產生吸引力.
①在空氣中.點電荷之間也適用.
②當兩電荷均靜止或只有一個電荷發生運動時適用.當兩點電荷都發生運動時則不適用.
③庫倫力是長程力.所以不能根據公式錯誤的推論:當r→∞時F→∞.實際上.在這種情況.兩個帶電體已經不能看作點電荷了.
另外,對於兩個帶電絕緣物體,可以將其視為電荷集中在集合中心的點電荷,r為集合中心之間的距離.
對於兩個帶電金屬物體,要考慮金屬表面電荷的重新分布.

實驗驗證

卡文迪許的同心球電荷分布實驗,比庫侖的扭秤實驗精確且早幾十年,
實驗實驗
但是卡文迪許並沒有發表自己的著作。直到1871年麥克斯韋主持劍橋大學的卡文迪許實驗室後,卡文迪許的手稿才轉到了麥克斯韋手中,麥克斯韋親自動手重複了卡文迪許的許多實驗,手稿經麥克斯韋整理後出版,他的工作才為世人所知。1784年至1785年間,法國物理學家查爾斯·庫侖通過扭秤實驗驗證了這一定律。扭秤的結構如右圖所示:在細金屬絲下懸掛一根秤桿,它的一端有一小球A,另一端有平衡體P,在A旁還置有另一與它一樣大小的固定小球B。為了研究帶電體之間的作用力,先使A、B各帶一定的電荷,這時秤桿會因A端受力而偏轉。轉動懸絲上端的懸鈕,使小球回到原來位置。這時懸絲的扭力矩等於施於小球A上電力的力矩。如果懸絲的扭力矩與扭轉角度之間的關係已事先校準、標定,則由鏇鈕上指針轉過的角度讀數和已知的秤桿長度,可以得知在此距離下A、B之間的作用力,並且通過懸絲扭轉的角度可以比較力的大小。1773年,卡文迪許用兩個同心金屬球殼做實驗,
卡文迪許實驗卡文迪許實驗
如右圖,外球殼由兩個半圓裝配而成,兩半球合起來正好把內球封在其中。通過一根導線將內外球連在一起,外球殼帶點後,取走導線,打開外殼,用木髓球驗電器試驗有沒有帶電,結果發現木髓球驗電器沒有指示,內球不帶電荷。根據這個實驗,卡文迪許確定指數偏差 ,比羅賓遜1769年得出的0.06更精確。
1873年,麥克斯韋和麥克阿利斯特改進了卡文迪許的這個實驗。麥克斯韋親自設計實驗裝置和實驗方法,並推算了實驗的處理公式。

適用條件

適用範圍

在庫侖定律的常見表述中,通常會有真空和靜止,是因為庫侖定律的實驗基礎——扭秤實驗,為了排除其他因素的影響,是在亞真空中做的。另外,一般講靜電現象時,常由真空中的情況開始,所以庫侖定律中有“真空”的說法。實際上,庫侖定律不僅適用於真空中,還適用於均勻介質中,也適用於靜止的點電荷之間。
庫侖定律還適用於均勻介質中。

庫侖定律適用於場源電荷靜止、受力電荷運動的情況,但不適用於運動電荷對靜止電荷的作用力。由於靜止的場源電荷產生的電場的空間分布情況是不隨時間變化的,所以,運動的電荷所受到的靜止場源電荷施加的電場力是遵循庫侖定律的;靜止的電荷所受到的由運動電荷激發的電場產生的電場力不遵守庫侖定律,因為運動電荷除了激發電場外,還要激發磁場。此時,庫侖力需要修正為電磁力。但實踐表明,只要電荷的相對運動速度遠小於光速c,庫侖定律給出的結果與實際情形很接近。
庫侖定律只適用於點電荷之間。帶電體之間的距離比它們自身的大小大得多,以至形狀、大小及電荷的分布狀況對相互作用力的影響可以忽略,在研究它們的相互作用時,人們把它們抽象成一種理想的物理模型——點電荷,庫侖定律只適用於點電荷之間的受力。

局限性

庫侖定律沒有解決電荷間相互作用力是如何傳遞的,甚至按照庫侖定律的內容,庫侖力不需要接觸任何媒介,也不需要時間,而是直接從一個帶電體作用到另一個帶電體上的。即電荷之間的相互作用是一種“超距作用”,然而另一批物理學家認為這類力是“近距作用”,電力通過一種充滿在空間的彈性媒介——以太來傳遞。
英國科學家法拉第在研究電場時首先提出場的觀點。他認為電荷會在其周圍空間激發電場,處於電場中的其他電荷將受到力的作用,即電荷與電荷的相互作用時通過存在於它們之間的場來實現的。
現代科學已經證實,相互作用不是“超距”的,但“近距”觀點所假定的以太是不存在的,電荷之間存在相互作用力是通過電場來傳遞的,電荷之間相互作用的傳遞速度是光速

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