库仑定律是静电学的一条基本定律,描述静止电荷之间的力。在真空中,两个点电荷之间的作用力沿两者的连线方向,其大小与两电荷量绝对值的乘积成正比,与两者距离的平方成反比。同号电荷相斥,异号电荷相吸。库仑定律与叠加原理共同构成了经典电磁学的基础。(openstax.org)
历史发展
这一定律以夏尔-奥古斯丁·德·库仑的名字命名,他于1785年发表了电力测量结果。他使用的装置是扭秤:一套由细丝悬挂的轻质水平组件。电荷间的斥力使组件上的带电小球发生位移,从而扭转细丝,直至细丝的回复转矩与电力产生的转矩平衡。通过测量扭转角度,就能推算出非常微小的力。(aps.org)
库仑比较了不同距离下的作用力,并研究了力如何随电荷量变化。这些实验帮助建立了电相互作用的定量平方反比关系,用数学关系取代了对吸引和排斥现象的纯定性观察。(aps.org)
数学表述与单位
对于相距 的两个点电荷 和 ,作用力的大小为
其中, 为真空电容率。在国际单位制中,电荷量以库仑为单位,距离以米为单位,力以牛顿为单位。这些常数的数值近似为
距离增大到原来的两倍时,力减小到原来的四分之一;任一电荷的电荷量增大到原来的两倍时,力也增大到原来的两倍。(openstax.org)
矢量表达式可以同时给出力的大小和方向。若 和 分别为两个电荷的位置矢量,则电荷1对电荷2的作用力为
带符号的乘积 决定作用力是吸引力还是排斥力。电荷1所受的力与此大小相等、方向相反,符合牛顿第三定律。(openstax.org)
叠加原理与电场
对于多个静止电荷,叠加原理指出,总作用力等于各个电荷两两之间作用力的矢量和。力的相加必须考虑方向,并按分量求和,而不能简单地将其大小相加。(openstax.org)
位于原点的点电荷 所产生的电场为
其中, 为试探电荷。正电荷产生向外的电场,负电荷产生向内的电场。这种表述将场源产生的电场与承受作用力的电荷区分开来。(feynmanlectures.caltech.edu)
对于连续电荷分布,求和转化为积分:
其中, 为单位体积内的电荷量, 表示场源的位置。对于具有一定空间尺度的物体,通常需要根据其电荷分布进行这种处理,而不能将其全部电荷替换为位于中心的一个点电荷。(feynmanlectures.caltech.edu)
电势、能量与高斯定律
静电相互作用力是保守力,因此,当起点和终点固定时,它所做的功与路径无关。若选取无穷远处的电势为零,孤立点电荷的电势为
因此,两个点电荷的势能为
与力的大小的表达式不同,这一表达式保留了电荷量乘积的符号:在上述参考零点的约定下,异号电荷的相互作用能为负。电场可由电势的负梯度求得,即 。(feynmanlectures.caltech.edu)
库仑定律与叠加原理可以推出高斯定律:穿过闭合曲面的电通量等于该曲面所包围的电荷量除以 。反过来,利用球对称性和高斯定律,也可以得到遵循平方反比关系的点电荷电场。球对称电荷分布在其分布范围之外产生的电场,与将全部电荷集中在其中心时产生的电场相同。这些关系是麦克斯韦方程组在静电极限下的一部分内容。(feynmanlectures.caltech.edu)
材料与适用范围
在理想的无限大、均匀、各向同性的线性电介质中,嵌入其中的自由点电荷之间的宏观相互作用,可以通过将 替换为材料的电容率 来描述。这样就计入了材料的电极化效应。涉及边界、非均匀材料及微观局部电场时,需要更细致的处理;将所有真空中的作用力都除以同一个介电常数,并非普遍适用的做法。(feynmanlectures.caltech.edu)
这一简单定律针对的是静止场源。对于运动电荷,通常需要同时考虑电场和磁场、洛伦兹力,以及随时间变化的麦克斯韦方程组。电磁作用的变化以光速传播,而不是在相隔一定距离的电荷之间瞬时传递。(feynmanlectures.caltech.edu)
在原子尺度上,库仑相互作用仍然至关重要,但经典轨迹无法充分描述束缚电子。在量子力学中,电子与质子之间的吸引势被纳入描述氢的薛定谔方程,由此得到的是量子态和离散能量,而不是经典的行星式轨道。(feynmanlectures.caltech.edu)