引入
两个电荷之间的力,为什么随距离平方衰减,而不是线性衰减?
为什么库仑定律只适用于点电荷?
为什么说库仑定律是电磁学的“牛顿定律”?
库仑定律给出静电力的定量形式,是静电学所有推导的起点。它的形式和万有引力定律几乎一样,但一个是吸引或排斥,另一个只有吸引。
正文
定义
库仑定律:真空中两个静止点电荷之间的相互作用力,与它们电荷量的乘积成正比,与它们距离的平方成反比,方向沿两电荷的连线:
其中 是静电力常量。
矢量形式
其中 是从电荷 1 指向电荷 2 的单位矢量。
用这个形式可以自动处理正负号:
| 符号 | 力的方向 |
|---|---|
| 正 | 沿 ,排斥 |
| 负 | 沿 ,吸引 |
适用条件
| 条件 | 说明 |
|---|---|
| 点电荷 | 带电体尺寸远小于距离 |
| 静止 | 电荷不运动,或运动很慢 |
| 真空 | 介质中需用介电常数修正 |
| 真空中 | 若在介质中, 改为 |
对于均匀带电球体,外部电场等效于全部电荷集中于球心,所以也能用库仑定律,距离取球心距。
常量关系
其中 是真空介电常数。
使用 形式的好处是:高斯定理、麦克斯韦方程组中都自然出现这个组合,形式更统一。
与万有引力的对比
| 项目 | 库仑力 | 万有引力 |
|---|---|---|
| 表达式 | ||
| 常量 | ||
| 方向 | 可吸引可排斥 | 只有吸引 |
| 强度 | 极强 | 极弱 |
| 屏蔽 | 可被导体屏蔽 | 不能屏蔽 |
两个质子的库仑斥力约为引力的 倍。引力在天体尺度占主导,只是因为天体整体近似电中性。
多电荷系统
多个电荷对某电荷的作用力,按矢量叠加:
叠加原理成立的前提是电荷分布不受其他电荷影响。在强场中,介质极化会改变分布,此时需要另行处理。
库仑扭秤实验
库仑用扭秤测量微小力,验证了平方反比关系。实验的核心是:
- 用扭丝的扭转角度测量力矩
- 通过改变电荷量和距离,测力的大小
- 确认
现代实验已验证平方反比偏差小于 ,精度极高。
引出
电荷周围的空间如何描述?见电场。
介质中的库仑力为什么要除以介电常数?见介电常数与极化。
库仑定律在高速运动电荷情形下还成立吗?