قانون کولن

در مقاله مربوط به بار الکتریکی و انواع بار الکتریکی، توضیح داده شده است که بارهای الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می‌کنند در حالی که بارهای الکتریکی ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. به عبارت دیگر، اجسام با بار مثبت، اجسام با بار منفی را جذب می‌کنند، اجسام با بار مثبت، اجسام با بار مثبت را دفع می‌کنند و اجسام با بار منفی، اجسام با بار منفی را دفع می‌کنند. این پدیده وجود نیروی الکتریکی را نشان می‌دهد که بر اجسام با بار مثبت و اجسام با بار منفی اعمال می‌شود. چه عواملی بر بزرگی نیروی الکتریکی بین اجسام با بار الکتریکی تأثیر می‌گذارند؟

فیزیکدان فرانسوی، شارل کولمب (۱۷۳۶-۱۸۰۶)، در دهه ۱۷۸۰ مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را برای بررسی عواملی که بر بزرگی نیروی الکتریکی بین اجسام باردار الکتریکی تأثیر می‌گذارند، انجام داد. دستگاهی که کولمب استفاده می‌کرد مشابه دستگاهی بود که کاوندیش برای بررسی ثابت گرانشی استفاده می‌کرد و ترازوی پیچشی نامیده می‌شد. کولمب نیروی الکتریکی را بررسی کرد، بنابراین از دو گوی فلزی باردار الکتریکی استفاده کرد، در حالی که کاوندیش نیروی گرانش را بررسی کرد، بنابراین از دو گوی جرم‌دار بدون بار الکتریکی استفاده کرد.

نحوه کار مقیاس گشتاور  

 
نحوه کار مقیاس گشتاور به موضوع مورد بحث مربوط می‌شود. گشتاور یا گشتاور نیرو در فصل دینامیک چرخشی.
فضای ترازوی پیچشی خلاء است تا از انتقال بار الکتریکی روی گوی جامد به هوا جلوگیری شود. تعیین مقدار بار الکتریکی روی گوی جامد با استفاده از روش زیر انجام می‌شود. در ابتدا، گوی جامد A از طریق رسانایی یا اصطکاک دارای بار الکتریکی می‌شود. گوی جامد A که دارای بار الکتریکی شده است، با استفاده از یک رسانای الکتریکی به گوی جامد B که هنوز خنثی است متصل می‌شود تا بار الکتریکی گوی جامد A به طور مساوی با گوی جامد B تقسیم شود. اگر مقدار بار الکتریکی گوی جامد A برابر با ½ باشد، مقدار بار الکتریکی گوی جامد B برابر با ½ خواهد بود. در مرحله بعد، گوی جامد B و گوی جامد C با یک رسانای الکتریکی به هم متصل می‌شوند تا بار الکتریکی گوی جامد B به طور مساوی با گوی جامد C تقسیم شود. اگر مقدار بار الکتریکی گوی جامد B برابر با ¼ باشد، مقدار بار الکتریکی گوی جامد C برابر با ¼ خواهد بود. مقدار بار الکتریکی و نوع بار الکتریکی گوی جامد 1 و گوی جامد 2 به این روش بدست می‌آید.

کره جامد ۱ و کره جامد ۲ دارای بار الکتریکی هستند به طوری که اگر دو کره بار الکتریکی یکسانی داشته باشند، یکدیگر را دفع می‌کنند و اگر بار الکتریکی متفاوتی داشته باشند، یکدیگر را جذب می‌کنند. وجود نیروی جاذبه یا دافعه بین دو کره جامد دارای بار الکتریکی باعث چرخش کره جامد ۲ می‌شود. زاویه حرکت کره جامد ۲ برای تعیین نیروی الکتریکی وارد بر دو کره جامد اندازه‌گیری می‌شود.

عوامل مؤثر بر نیروی الکتریکی

بر اساس آزمایش‌های انجام شده با استفاده از ترازوی پیچشی، کولمب چندین چیز را کشف کرد.
– در این آزمایش، فاصله بین دو گوی جامد همیشه یکسان است. وقتی مقدار بار الکتریکی روی گوی جامد ۱ برابر با ۱ و مقدار بار الکتریکی روی گوی جامد ۲ برابر با ۱ باشد، نیروی الکتریکی وارد بر هر دو گوی جامد ۱ است. وقتی مقدار بار الکتریکی روی گوی جامد ۱ برابر با ۲ و مقدار بار الکتریکی روی گوی جامد ۲ برابر با ۲ باشد، نیروی الکتریکی وارد بر هر دو گوی جامد ۴ است. کولن نتیجه گرفت که بزرگی نیروی الکتریکی وارد بر هر دو گوی جامد متناسب با حاصلضرب مقدار بار روی هر دو گوی جامد است (F ≈ q₁ q₂).
– در این آزمایش، مقدار بار روی هر دو گوی جامد همیشه یکسان است. اگر فاصله بین دو گوی جامد ۱ باشد، نیروی الکتریکی وارد بر هر دو گوی جامد ۱ است. اگر فاصله بین دو گوی جامد ۲ باشد، نیروی الکتریکی وارد بر هر دو گوی جامد ¼ است. کولن نتیجه گرفت که بزرگی نیروی الکتریکی وارد بر هر دو گوی جامد با مجذور فاصله نسبت معکوس دارد (F ≈ ۱ / r²)

قانون کولن

قانون کولن یک قانون فیزیک است که رابطه بین نیروی الکتریکی، بار الکتریکی و فاصله بین بارها را توضیح می‌دهد. این قانون همانطور که در مقاله قبلی توضیح داده شد، بر اساس آزمایش‌های کولن تدوین شده است.

قانون کولن بیان می‌کند که بزرگی نیرویی که یک ذره باردار الکتریکی بر ذره باردار الکتریکی دیگر وارد می‌کند، با حاصلضرب بارهای دو ذره نسبت مستقیم و با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. این نیرو در امتداد خط مستقیمی که دو ذره را به هم متصل می‌کند، عمل می‌کند. اگر بارهای الکتریکی دو ذره یکسان باشند، نیروی الکتریکی دافعه و اگر بارهای الکتریکی دو ذره یکسان نباشند، نیروی الکتریکی جاذبه است.

قانون کولن را می‌توان به صورت معادله ریاضی بیان کرد:
شرح فرمول:
F₁₂ = نیروی الکتریکی بین ذره ۱ و ذره ۲
q₁ = تعداد بارهای ذرات ۱
q₂ = تعداد بارهای الکتریکی ذره ۲
r₁₂ = فاصله بین ذره ۱ و ذره ۲
(بخوانید: اپسیلون صفر) = ۸.۸۵۴ × ۱۰^-12 C²/نانومتر²
k = (ثابت کولن) = 9 × 10⁹ نانومتر²/C²
F₂₁ نیرویی است که توسط بار q اعمال می‌شود₂ با بار q₁، در حالی که F₁₂ نیرویی است که توسط بار q اعمال می‌شود₁ با بار q₂. اف₂₁ و اف₁₂ وقتی بار q باشد، یکدیگر را دفع می‌کنند₁ و ق₂ مشابه هستند و وقتی بار q است، یکدیگر را جذب می‌کنند.₁ و ق₂ از یک نوع نیست.
F₂₁ و اف₁₂ دارای مقدار یکسان، جهت مخالف و اثر بر اجسام مختلف هستند، بنابراین این دو نیرو یک جفت نیروی کنش-واکنش هستند.