Закон Кулона
Зако́н Куло́на, один из основных законов электростатики, определяющий вектор силы взаимодействия в вакууме двух неподвижных точечных зарядов и . Точечными называют заряды, геометрические размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними. Закон Кулона задаётся выражением: где – сила, с которой заряд действует на заряд ; – вектор, проведённый от заряда к заряду ; – модуль этого вектора, равный расстоянию между зарядами; – коэффициент, зависящий от выбора системы единиц измерений. В широко применяемой в теоретической физике системе единиц Гаусса (СГС) . В Международной системе единиц СИ (SI) , где – электрическая постоянная ( – магнитная постоянная, – скорость света в вакууме). Сила , с которой заряд действует на заряд , равна по величине и противоположна по направлению силе и также лежит на прямой, соединяющей точечные заряды и ; при этом заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются друг к другу (рисунок). Если заряды помещаются в однородный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью , то сила взаимодействия между ними уменьшается в раз по сравнению с вакуумом.
Закон Кулона был установлен в 1785 г. Ш.-О. де Кулоном с помощью изобретённых им крутильных весов, которые ранее он уже использовал при изучении сил трения. Обратная пропорциональность силы взаимодействия зарядов квадрату расстояния между ними предполагалась Кулоном по аналогии с законом всемирного тяготения, установленным И. Ньютоном. Измерения, выполненные Кулоном с помощью крутильных весов, смогли подтвердить эту зависимость с не очень высокой точностью. Более точно обратная пропорциональность силы взаимодействия двух зарядов квадрату расстояния между ними проверялась Кулоном при исследовании зависимости периода колебаний горизонтального стержня с зарядом на конце, помещённого на различных расстояниях от заряженного шара. Ещё раньше (1772) закон обратных квадратов установил в своей неопубликованной работе Г. Кавендиш, проверяя следствие этого закона, а именно – отсутствие электрического заряда внутри заряженной металлической сферы. Последующие эксперименты по методу Кавендиша уточнили, что показатель степени в законе Кулона отличается от не более, чем на .
Кулоновское поле точечного электростатического заряда как любое центральное поле (т. е. силовое поле, напряжённость которого в некоторой точке пространства направлена по линии, соединяющей эту точку с силовым центром, а величина напряжённости зависит только от расстояния от точки до силового центра) является потенциальным (консервативным). Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов пропорциональна .
Обобщением и прямым следствием закона Кулона является теорема Гаусса, входящая в систему уравнений Максвелла – основных уравнений классической электродинамики.
Взаимодействие заряженных частиц при высоких энергиях (т. е. на малых расстояниях) описывает квантовая электродинамика (КЭД), таким образом справедливость предсказаний КЭД одновременно служит подтверждением закона Кулона. Эксперименты по аннигиляции электронов и позитронов показали, что КЭД, а следовательно, и закон Кулона остаются справедливыми при уменьшении расстояний между зарядами вплоть до м.
Законом Кулона также называют закон, определяющий силу взаимодействия двух магнитных полюсов, в реальности (из-за отсутствия в природе отдельных магнитных полюсов) – силу взаимодействия ближних концов двух длинных магнитов. Кулон показал, что это взаимодействие также подчиняется закону обратных квадратов.