二、库仑定律

    实验表明,带电体之间的相互作用与带电体之间的距离和所带电量有关,也与带电体的大小、形状以及电荷在带电体上的分布情形有关。所以在通常情况下,两个带电体之间的相互作用表现出与多种因素有关的复杂情形。实验指出,当带电体自身的几何线度比起带电体之间的距离小得多时,在测量精度内,带电体的大小和形状对它们之间的相互作用没有影响,决定这种相互作用的只是带电体之间的距离和它们所带的电量。这就是说,当带电体自身的大小与带电体之间的距离相比很小时,大家可以把这种带电体看作为点电荷。

    显然,点电荷的概念与质点、刚体等概念一样,是对实际情况的抽象,是一种理想模型。一个带电体能否看成为一个点电荷,必须根据具体情况来决定。虽然有时不能把一个带电体看成为点电荷,但总可以把它看为许多点电荷的集合体,从而能够由点电荷所遵从的规律出发,得出大家所要寻找的结论。

图 10-1

    两个点电荷之间的相互作用遵从库仑定律。这个定律可表述为:在真空中两个相对于观察者静止的点电荷之间的相互作用的大小与它们所带电量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比;作用力的方向沿着两点电荷的连线,同号电荷相斥(为正),异号电荷相吸(为负)。根据库仑定律,如果两个点电荷的电量分别为q1q2,从q1q2所引的有向线段为r12,那么电荷q1对电荷q2的作用力F12可以表示为

                     .                 (10-2)

上式表明,当q2q1同号时,F12r12方向相同,两者之间表现为斥力,如图10-1(a)所示。当q2q1异号时,F12r12方向相反,两者之间表现为引力,如图10-1(b)所示。式中的比例系数是由实验测得的,其数值为

                ,                                           

其中

                e0 = 8.854187817×10-12  C2 × N-1 × m-2 ,

称为真空电容率,是国际单位制引入的两个常量之一。

    值得注意的是,库仑定律只适用于描述两个相对于观察者为静止的点电荷之间的相互作用。当两个点电荷相对于观察者运动时,若仍用库仑定律表示它们之间的相互作用,则须对所表示的结果加以修正,如果运动速度远小于光速,修正量很小。库仑定律虽然是描述处于真空中的两个点电荷之间的相互作用,但对处于空气中的点电荷也可以适用。因为在通常大气压下,空气对电荷之间的相互作用的影响很小,只使作用力的大小偏离其真空中的数值的二千分之一左右。除了空气以外的其他物质对电荷之间的相互作用有较大或很大影响,将在以后讨论。

    大家知道,自然界存在四种力,即强力、弱力、电磁力和万有引力,若把在10-15 m的尺度上两个质子之间的强力的强度规定为1,那么其他各力的强度依次是:电磁力为10-2,弱力为10-9,万有引力为10-39 。强力和弱力只在10-15 m 的范围之内起作用。于是大家可以得出这样的结论:在原子的构成、在原子结合成分子以及在固体的形成和液体的凝聚等方面,库仑力都起着主要作用。

       
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