Coulombov zakon

Coulombov zakon [kulȏnov]^[1] je jedan od osnovnih zakona elektrostatike koji je 1785. utvrdio Charles-Augustin de Coulomb:

 »Električna sila F između dvaju električki nabijenih točkastih tijela (odbojna ili privlačna, ovisno o tome jesu li tijela jednakih ili suprotnih električnih naboja) razmjerna je količinama električnoga naboja q a obrnuto razmjerna kvadratu udaljenosti r između tijela. (napomena: vrijedi samo u vakuumu):«

${\displaystyle F={\frac {1}{4\cdot \pi \cdot \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}}}$

Elektromagnetizam

Elektricitet • Magnetizam Elektrostatika Električni naboj • Coulombov zakon • Električno polje • Električni tok • Gaussov zakon • Električni potencijal • Elektrostatska indukcija • Električni dipolni moment • Gustoća polarizacije Magnetostatika Ampèreov zakon • Električna struja • Magnetsko polje • Magnetizacija • Magnetski tok • Biot–Savartov zakon • Magnetski dipolni moment • Gaussov zakon za magnetizam Elektrodinamika Zrakoprazan prostor • Lorentzov zakon • ems • Elektromagnetska indukcija • Faradayev zakon • Lenzov zakon • Struja pomaka • Maxwellove jednadžbe • EM polje • Elektromagnetsko zračenje • Liénard-Wiechertov potencijal • Maxwellov tenzor • Vrtložne struje Električna mreža Električna vodljivost • Električni otpor • Električni kapacitet • Električni induktivitet • Impedancija • Rezonantne šupljine • Vodiči valova Kovarijantna formulacija Elektromagnetski tenzor • EM Stres-energijski tenzor • Četvero-struja • Elektromagnetski četvero-potencijal Znanstvenici Ampère • Coulomb • Faraday • Gauss • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Volta • Weber • Ørsted

gdje je: ε₀ - dielektrična permitivnost vakuuma. Sila je najjača u vakuumu, a slabija u svim drugim sredstvima:^[2]

${\displaystyle F={\frac {1}{4\cdot \pi \cdot \varepsilon }}\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}}={\frac {1}{\varepsilon _{r}}}\cdot {\frac {1}{4\cdot \pi \cdot \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}}}$

gdje je: ε_r - relativna dielektrična permitivnost nekog sredstva ili tvari, ε - dielektrična permitivnost (ili samo permitivnosti) tvari.

Coulombova torzijska vaga.

Objašnjenje

Djelovanje elektrostatičke sile opisano je u Coulombovom zakonu, premda je ovisnost elektrostatičke sile o kvadratu udaljenosti bila ustanovljena i ranije, no nije objavljena. U svojim pokusima Coulomb je koristio takozvano torziono njihalo, preteču torzione vage, napravu koja je mogla detektirati i usporediti vrlo male sile. Coulombov zakon u skalarnom obliku govori:

 »Veličina elektrostatičke sile između dva točkasta naboja upravo je razmjerna umnošku veličine oba naboja i obrnuto razmjerna kvadratu udaljenosti r između njih:«

što se može izraziti na sljedeći način:

${\displaystyle F\sim {\frac {{q_{1}}\cdot {q_{2}}}{r^{2}}}.\,}$

gdje su q₁ i q₂ dva točkasta električna naboja. Kako bi povezao sustav mehaničkih sila, već dobro poznat u to vrijeme, sa sustavom elektrostatičkih sila, Coulomb je uveo konstantu proporcionalnosti (kasnije nazivanu i "Coulombova " konstanata) gdje možemo zapisati da je:

${\displaystyle F=k_{\mathrm {e} }\cdot {\frac {q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}}}$

gdje je kasnije Coulombova konstanta povezana s drugim fizikalnim konstantama i iznosi:

${\displaystyle k_{\mathrm {e} }={\frac {1}{4\cdot \pi \cdot \varepsilon _{0}}}={\frac {\mu _{0}\ \cdot {c_{0}}^{2}}{4\cdot \pi }}=8,987\ 551\ 787\ 368\ 176\ 4\times 10^{9}\ \mathrm {N\cdot m^{2}\cdot C^{-2}} ,}$

gdje je ε₀ - dielektrična permitivnost vakuuma, μ₀ - permeabilnost vakuuma, a c₀ - brzina svjetlosti u vakuumu.

Elektrostatička sila kao vektor

Istoimeni električni naboji se djelovanjem elektrostatičke sile odbijaju, a naboji suprotnog predznaka privlače.

Elektrostatičku silu ne možemo opisati samo veličinom jer ona u prostoru ima i svoj smjer te Coulombov zakon možemo izraziti i u vektorskom obliku:

${\displaystyle \mathbf {F} (\mathbf {r} )={\frac {1}{4\cdot \pi \cdot \epsilon _{0}}}\cdot {\frac {q}{r^{2}}}\cdot {\frac {\mathbf {r} }{r}}}$

gdje je: ${\displaystyle \mathbf {r} }$ - vektorom izražena udaljenost između dva naboja. Ovo je ustvari skalarna definicija Coulombovog zakona kojoj je dodan smjer po pravcu na kojem leže točkasti naboji. Ako su naboji različitog predznaka, tada vektor pokazuje u smjeru jednog naboja prema drugome, a ako su istog predznaka pokazuje u suprotnom smjeru.Razmatramo li elektrostatičke sile u nekom dielektričkom materijalu, a ne vakuumu, valja uzeti u obzir i relativnu dielektričku konstantu tvari u kojoj se nalaze naboji.

Coulombov zakon vrijedi za električne naboje u mirovanju. Ako se električni naboji gibaju, valja uzeti u obzir i međusobni utjecaj magnetskih polja što proističe iz Maxwellovih jednadžbi.