Заряди і електрику - це терміни, обов`язкові для тих випадків, коли спостерігається взаємодія заряджених тіл. Сили відштовхування і тяжіння немов виходять від заряджених тіл і поширюються одночасно у всіх напрямках, поступово затухаючи на відстані. Цю силу свого часу відкрив відомий французький натураліст Шарль Кулон, і правило, якому підпорядковуються заряджені тіла, з тих пір називається Закон Кулона.
Шарль Кулон
Французький вчений народився у Франції, де здобув блискучу освіту. Він активно застосовував отримані знання в інженерних науках і вніс значний вклад теорію механізмів. Кулон є автором робіт, в яких вивчалася робота вітряних млинів, статистика різних споруд, крутіння ниток під впливом зовнішніх сил. Одна з цих робіт допомогла відкрити закон Кулона-Амонтона, яка пояснювала б процеси тертя. 
Але основний внесок Шарль Кулон вніс у вивчення статичної електрики. Досліди, які проводив цей французький вчений, підвели його до розуміння одного з найбільш фундаментальних законів фізики. Саме йому ми зобов`язані знанням природи взаємодії заряджених тіл.
Передісторія
Сили тяжіння і відштовхування, з якими електричні заряди діють один на одного, спрямовані вздовж прямої, що з`єднує заряджені тіла. Зі збільшенням відстані ця сила слабшає. Через століття після того, як Ісаак Ньютон відкрив свій всесвітній закон тяжіння, французький вчений Ш. Кулон досліджував експериментальним шляхом принцип взаємодії між зарядженими тілами і довів, що природа такої сили аналогічна силам тяжіння. Більш того, як виявилося, взаємодіючі тіла в електіріческом поле поводяться так само, як і будь-які тіла, що мають масу, в гравітаційному полі.
прилад Кулона
Схема приладу, за допомогою якого Шарль Кулон робив свої вимірювання, наведена на малюнку:
Як можна бачити, по суті ця конструкція не відрізняється від того приладу, яким свого часу Кавендіш вимірював величину гравітаційної постійної. Ізолюючий стрижень, підвішений на тонкій нитці, закінчується металевим кулькою, якому повідомлено певний електричний заряд. До кульки наближають інший металева кулька, а потім, у міру зближення, вимірюють силу взаємодії за ступенем закручування нитки.
експеримент Кулона
Кулон припустив, що до сили, з якою закручується нитку, можна застосувати вже відомий тоді Закон Гука. Вчений порівняв зміна сили при різної дистанції одного кульки від іншого і встановив, що сила взаємодії змінює своє значення обернено пропорційно квадрату відстані між кульками. Кулон зумів змінювати значення зарядженого кульки від q до q / 2, q / 4, q / 8 і так далі. При кожній зміні заряду сила взаємодії пропорційно змінювала своє значення. Так, поступово, було сформульовано правило, яке згодом було названо «Закон Кулона».
визначення
Експериментальним шляхом французький вчений довів, що сили, з якими взаємодіють два заряджених тіла, пропорційні добутку їх зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між зарядами. Це твердження і є закон Кулона. У математичному вигляді він може бути виражений так:
У цьому виразі:
- q- кількість заряду;
- d - відстань між зарядженими тілами;
- k- електрична постійна.
Значення електричної постійної багато в чому залежить від вибору одиниці виміру. У сучасній системі величина електричного заряду вимірюється в кулонах, а електрична постійна, відповідно, в ньютон-м2/ кулон2.
Останні виміри показали, що даний коефіцієнт повинен враховувати діелектричну проникність середовища, в якій проводиться досвід. Зараз величину показують у вигляді співвідношення k = k1/ E, де до1 є вже знайомої нам електричної константою, а не є показником діелектричної проникності. В умовах вакууму ця величина дорівнює одиниці.
Висновки з закону Кулона
Вчений експериментував з різною величиною зарядів, перевіряючи взаємодія між тілами з різною величиною заряду. Зрозуміло, виміряти електричний заряд в будь-яких одиницях він не міг - не вистачало ні знань, ні відповідних приладів. Шарль Кулон зміг розділяти снаряд, торкаючись до зарядженого кульці незарядженим. Так він отримував дробові значення вихідного заряду. Ряд дослідів показав, що електричний заряд зберігається, відбувається обмін без збільшення або зменшення кількості заряду. Цей фундаментальний принцип ліг в основу закону збереження електричного заряду. В даний час доведено, що цей закон дотримується і в мікросвіті елементарних частинок і в макросвіті зірок і галактик.
Умови, необхідні для виконання закону Кулона
Для того щоб закон виконуватися з більшою точністю, необхідно виконання наступних умов:
- Заряди повинні бути точковими. Іншими словами, дистанція між що спостерігаються зарядженими тілами повинна бути набагато більше їх розмірів. Якщо заряджені тіла мають сферичну форму, то можна вважати, що весь заряд знаходиться в точці, яка є центром сфери.
- Вимірювані тіла повинна бути нерухомими. Інакше на рухомий заряд впливатимуть численні сторонні фактори, наприклад, сила Лоренца, яка надає зарядженого тіла додаткове прискорення. А також магнітне поле рухомого зарядженого тіла.
- Спостережувані тіла повинні перебувати у вакуумі, щоб уникнути впливу потоків повітряних мас на результати спостережень.
Закон Кулона і квантова електродинаміка
З точки зору квантової електродинаміки взаємодія заряджених тіл відбувається за допомогою обміну віртуальними фотонами. Існування таких неспостережуваних частинок і нульової маси, але не нулевиго заряду побічно підтверджується принципом невизначеності. Згідно з цим принципом, віртуальний фотон може існувати між митями випускання такої частки і її поглинання. Чим менше відстань між тілами, тим менше часу витрачає фотон на проходження шляху, отже, тим більше енергія випускаються фотонів. При невеликій дистанції між що спостерігаються зарядами принцип невизначеності допускає обмін і короткохвильовими і довгохвильовими частинками, а при великих відстанях короткохвильові фотони в обміні не беруть участь.
Чи є межі застосування закону Кулона
Закон Кулона повністю пояснює поведінку двох точкових зарядів у вакуумі. Але коли мова йде про реальні тілах, слід брати до уваги об`ємні розміри заряджених тіл і характеристики середовища, в якій ведеться спостереження. Наприклад, деякі дослідники спостерігали, що тіло, що несе в собі невеликий заряд і примусово внесена в електричне поле іншого об`єкта з великим зарядом, починає притягатися до цього заряду. В цьому випадку твердження, що однойменно заряджені тіла відштовхуються, дає збій, і слід шукати інше пояснення спостережуваного явища. Швидше за все, тут не йдеться про порушення закону Кулона або принципу збереження електричного заряду - можливо, що ми спостерігаємо невивчені до кінця явища, пояснити які наука зможе трохи пізніше.
