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庫侖定律:電荷之間的作用力

把「同性相斥、異性相吸」變成一個數字。庫侖定律給出電荷間作用力的確切大小與方向、它的平方反比形式,以及如何把多個力加起來。

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。

F = k\,\frac{|q_1\,q_2|}{r^2}

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_1q_2 是兩個電荷,r 是它們之間的距離,k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

k = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \approx 8.99\times10^{9}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2

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。

F = (8.99\times10^{9})\,\frac{(3.0\times10^{-6})(5.0\times10^{-6})}{0.040} \approx 3.4\ \text{N}

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。

\vec{F}_1 = \vec{F}_{1\leftarrow2} + \vec{F}_{1\leftarrow3} + \cdots = \sum_{i\neq 1}\vec{F}_{1\leftarrow i}

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。