Между двумя или несколькими электрическими зарядами всегда существуют силы взаимодействия: заряды или отталкиваются, или, наоборот, притягиваются один к другому.
Очень точными опытами французский физик Шарль Огюстен Кулон (1736 — 1806) установил, что сила взаимодействия между двумя электрическими зарядами зависит от их величины, расстояния между ними и среды, в которой находятся эти заряды.
Эта зависимость может быть сформулирована следующим образом:
Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Это значит, что если величина одного из электрических зарядов возрастет, например, вдвое, то и сила взаимодействия между зарядами увеличится вдвое. Если же расстояние между зарядами увеличится вдвое, то сила взаимодействия между зарядами уменьшится в четыре раза.
Математический закон Кулона выражается формулой:
F = k*(q1*q2)/r2
где q1, и q2 — величины электрических зарядов в кулонах (1 кулон = 6,29*1018 зарядов электронов);
r — расстояние между зарядами в метрах;
F — сила взаимодействия зарядов в ньютонах (единица силы в СИ);
k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств среды, которая окружает электрические заряды, и от выбора системы единиц.
Закон Кулона полностью справедлив только для точечных зарядов, т. е. таких заряженных тел, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. В большинстве практических случаев это условие выполняется.
Коэффициент k можно определить по формуле:
k = 1/4πε
где ε — электрическая проницаемость среды.
В свою очередь:
ε = εr * ε0
где εr— относительная электрическая проницаемость среды— отвлеченное число, показывающее, во сколько раз электрическая проницаемость данной среды больше, чем электрическая проницаемость «пустоты» — вакуума
ε0—электрическая проницаемость вакуума, которая в системе СИ имеет значение:
ε0 = 1/4π*9*109
Ниже даны значения относительной электрической проницаемости некоторых веществ.
Относительная электрическая проницаемость некоторых веществ
Воздух | 1,00059 |
Бумага | 3,0 — 3,5 |
Слюда | 4,0 — 7,5 |
Фарфор | 6,0 — 6,5 |
Стекло | 5,5 — 10 |
Вода | 81 |
Сегнетова соль | 500 — 600 |
Метатитанат бария | 1000 — 1500 |
Метатитанат бария с добавками | 7000 — 9000 |
Последние три вещества в этой таблице относятся к так называемым сегнетоэлектрикам — диэлектрикам, у которых зависимость тока смещения от напряженности электрического поля нелинейная.
Относительная электрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличится сила взаимодействия между зарядами, если данный диэлектрик заменить вакуумом.