Prawo Coulomba i siła elektrostatyczna

Prawo Coulomba opisuje oddziaływanie między dwoma ładunkami punktowymi. Wartość siły elektrostatycznej zależy od wartości obu ładunków i od odległości między nimi. Im większe ładunki, tym większa siła. Im większa odległość, tym siła mniejsza.

Wzór ma postać:

$$F=k\frac{|q_1q_2|}{r^2}$$

We wzorze: $F$ to wartość siły, $q_1$ i $q_2$ to ładunki, $r$ to odległość między nimi, a $k$ to stała Coulomba.

Prawo Coulomba pozwala obliczyć wartość siły, natomiast o tym, czy ciała się przyciągają czy odpychają, decydują znaki ładunków.

• dwa ładunki dodatnie się odpychają
• dwa ładunki ujemne się odpychają
• ładunki o przeciwnych znakach się przyciągają

Siła działa zawsze wzdłuż prostej łączącej ładunki. To ważne w analizie rysunków i zadań opisowych. Jeśli w obliczeniach korzystasz z wartości bezwzględnej $|q_1q_2|$, wynik liczbowy jest dodatni, ale nie mówi sam z siebie, czy oddziaływanie jest przyciągające czy odpychające.

Oddziaływanie elektrostatyczne, znak ładunku, przyciąganie, odpychanie i kierunek siły to podstawowe pojęcia, które trzeba rozpoznawać razem, a nie osobno.

W obliczeniach trzeba bardzo uważać na jednostki SI. Ładunek wyrażamy w kulombach: $C$, a odległość w metrach: $m$. Stała Coulomba w próżni ma wartość w przybliżeniu:

$$k=9\cdot10^9\ \frac{N\cdot m^2}{C^2}$$

W zadaniach często pojawiają się małe ładunki, więc trzeba poprawnie zamieniać przedrostki:

• $1\ mC=10^{-3}\ C$
• $1\ \mu C=10^{-6}\ C$
• $1\ nC=10^{-9}\ C$

Wynik siły otrzymujemy w niutonach: $N$.

Typowe zadanie polega na odczytaniu danych, zamianie jednostek i podstawieniu do wzoru. Dobrze jest działać według stałego schematu:

• wypisz dane: $q_1$, $q_2$, $r$
• zamień jednostki na $C$ i $m$
• zapisz wzór $F=k\frac{|q_1q_2|}{r^2}$
• podstaw liczby i oblicz wynik
• na końcu określ, czy siła oznacza przyciąganie czy odpychanie

Jeśli odległość jest podana jako np. $10\ cm$, trzeba ją zamienić na $0{,}10\ m$. Pamiętaj też, że we wzorze występuje kwadrat odległości, więc przy obliczaniu mianownika łatwo popełnić błąd rachunkowy.

W zadaniach często nie trzeba liczyć od początku, tylko porównać sytuacje. Z prawa Coulomba wynikają ważne zależności.

• jeśli jeden ładunek zwiększymy $2$ razy, siła zwiększy się $2$ razy
• jeśli oba ładunki zwiększymy $2$ razy, siła zwiększy się $4$ razy
• jeśli odległość zwiększymy $2$ razy, siła zmaleje $4$ razy
• jeśli odległość zwiększymy $3$ razy, siła zmaleje $9$ razy

To są bardzo częste pytania maturalne i sprawdzianowe. Warto umieć je rozwiązywać bez długich rachunków, tylko przez analizę proporcji. Kluczowe są tu pojęcia wprost proporcjonalności i odwrotnej proporcjonalności do kwadratu.

Dzięki temu można szybko ocenić, czy wynik końcowy ma sens fizyczny.

Prawo Coulomba jest jednym z podstawowych praw elektrostatyki. Łączy się z pojęciem pola elektrycznego, bo ładunki wytwarzają wokół siebie obszar oddziaływania na inne ładunki. W tym temacie najważniejsze jest jednak liczenie wartości siły między dwoma ciałami naładowanymi.

Warto pamiętać także o zasadzie zachowania ładunku: w układzie izolowanym całkowity ładunek nie zmienia się. Oznacza to, że podczas elektryzowania ładunek jedynie przemieszcza się między ciałami.

Na poziomie liceum trzeba rozumieć, że siła elektrostatyczna jest odpowiednikiem oddziaływania elektrycznego między ładunkami, podobnie jak siła grawitacji opisuje oddziaływanie między masami. Różnica polega między innymi na tym, że ładunki mogą się zarówno przyciągać, jak i odpychać.