從「它們互斥」到一條公式
在 1780 年代,庫侖用一具精巧的扭秤——一條纖維,當電荷互推或互拉時會扭轉出一個可量測的角度——量測兩個帶電小球之間的力。他改變電荷與距離,找出了如今以他為名的規律。它是牛頓重力定律在靜電學上的對應,同樣是根本性的。
庫侖定律:兩個點電荷間的作用力,與兩電荷乘積成正比,與其間距的平方成反比。
這裡 q_1 與 q_2 是兩個電荷,r 是它們之間的距離,k 是庫侖常數。這條公式假設是點電荷——與 r 相比很小的物體——但對任何球對稱電荷外部的作用也精確成立,所以帶電球體也算數。庫侖定律是整個靜電學的引擎;後面幾乎所有東西都由它建構而來。
那個常數,以及這股力究竟有多強
庫侖常數,以真空電容率 ε₀ ≈ 8.85×10⁻¹² C²/(N·m²) 表示。
那個 4\pi 看起來很囉嗦,但後面會有回報(它讓高斯定律變得整潔)。k 的大小告訴你的是:電力強得驚人。兩個各帶一庫侖的電荷,相距一公尺,會以約 9\times10^{9} 牛頓互斥——相當於百萬噸的重量。這就是為什麼你永遠不會看到一個物體上帶著一庫侖的淨電荷;物質根本無法把那麼多分離的電荷約束在一起。
方向:從正負號直接讀出
上面的公式用 |q_1 q_2| 給出大小。方向永遠沿著連接兩電荷的直線,而乘積的正負號告訴你朝哪邊:若 q_1 q_2 > 0(同性電荷)則為斥力,把它們推開;若 q_1 q_2 < 0(異性電荷)則為引力,把它們拉近。而由牛頓第三運動定律,兩電荷永遠受到大小相等、方向相反的力——即使它們的電量大小天差地遠也一樣。
一道演練題
題目。 一個電荷 q_1 = +3.0\ \mu\text{C} 與一個電荷 q_2 = -5.0\ \mu\text{C} 相距 0.20\ \text{m}。求它們之間的作用力。
步驟一——換算單位。 q_1 = 3.0\times10^{-6} C,q_2 = 5.0\times10^{-6} C(取大小),r = 0.20 m 故 r^2 = 0.040\ \text{m}^2。步驟二——把數字代入庫侖定律。
作用力的大小。由於電荷異性,這是引力。
步驟三——說明方向並檢驗合理性。 乘積 q_1 q_2 < 0,故為引力——每個電荷沿連線被拉向對方,兩者各受 $3.4$ N。3.4 N 的拉力大約是一顆大蘋果的重量;對相距 20 公分的微庫侖電荷而言相當可觀,正如 k 的大小早已提醒過我們的。
多個電荷:疊加原則
真實問題往往不只兩個電荷。幸運的是庫侖力只是單純地以向量相加。要求某個電荷受到其他數個電荷的合力,就把每個源分別算出庫侖力——完全不理會其他源——再把這些力向量首尾相接地加起來。每一對電荷之間,都當作其餘電荷不存在一樣。
力的疊加原理:電荷 1 所受淨力,是其他每個電荷各自施加的庫侖力的向量和。