Coulombs lov

Coulombs lov, fremsat af Charles Augustin Coulomb i 1780'erne, er en fysisk lov, som beskriver den elektrostatiske interaktion mellem elektrisk ladede partikler.

Elektromagnetisme

Elektricitet • Magnetisme Elektrostatik Elektrisk ladning · Statisk elektricitet · Elektrisk felt · Elektrisk leder · Elektrisk isolator · Triboelektrisk effekt · Electrostatic discharge (ESD) · Elektrostatisk induktion · Coulombs lov · Gauss' lov · Elektrisk flux · Elektrisk potentiale · Elektrisk dipolmoment · Polarisationstæthed Magnetostatik Ampères lov · Curies lov · Magnet · Magnetfelt · Magnetisering · Magnetisk flux · Elektrisk strøm · Biot–Savarts lov · Magnetisk dipolmoment · Gauss' lov om magnetisme Klassisk elektromagnetisme Vakuum · Lorentz' kraftlov · Elektromagnetisk induktion · Elektromotorisk kraft · Faradays induktionslov · Lenz' lov · Forskydningsstrøm · Maxwells ligninger · Elektromagnetisk felt · Elektromagnetisk stråling · Poynting-vektor · Maxwell tensor · Liénard–Wiechert-potentiale · Jefimenkos ligninger · Hvirvelstrøm Elektronisk kredsløb Elektrisk leder · Spænding · Resistans · Ohms lov · Effektformlen · Seriekredsløb · Parallelkredsløb · Jævnstrøm · Vekselstrøm · Kapacitans · Induktans · Impedans · Resonantrum · Bølgeleder Kovariant formulering Elektromagnetisk tensor · Stress-energi tensor · Fire-strøm · Elektromagnetisk fire-potentiale Videnskabsmænd Ampère · Coulomb · Faraday · Gauss · Heaviside · Henry · Hertz · Lorentz · Maxwell · Tesla · Volta · Weber · Ørsted

v d r

Formulering

Loven postulerer, at størrelsen af den elektrostatiske kraft mellem to punktpartikler er proportional med produktet af ladningerne og omvendt proportional med kvadratet på deres indbyrdes afstand, dvs.

${\displaystyle F={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}}$

hvor

${\displaystyle F}$ er størrelsen af den elektrostatiske kraft på partikel 1 og 2,

${\displaystyle \varepsilon _{0}=8.854187817...\times 10^{-12}{\text{F}}{\text{m}}^{-1}}$ (Farad pr. meter) er vakuumpermittiviteten,

${\displaystyle q_{1}}$ er ladningen af partikel 1,

${\displaystyle q_{2}}$ er ladningen af partikel 2,

${\displaystyle r}$ er afstanden mellem de ladede partikler.

På vektorform er Coulombs lov^[1]

${\displaystyle {\vec {F}}_{1}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}}{|{\vec {r}}_{21}|^{2}}}{\hat {r}}_{21}}$

hvor

${\displaystyle {\vec {F}}_{1}}$ er den elektrostatiske kraft på partikel 1.

${\displaystyle {\vec {r}}_{21}={\vec {r}}_{1}-{\vec {r}}_{2}}$ er vektoren, der går fra ${\displaystyle q_{2}}$ til ${\displaystyle q_{1}}$,

${\displaystyle {\hat {r}}_{21}={\dfrac {{\vec {r}}_{21}}{|{\vec {r}}_{21}|}}}$ er enhedsvektoren, der går fra ${\displaystyle q_{2}}$ til ${\displaystyle q_{1}}$.

${\displaystyle {\vec {r}}_{1}}$ er stedvektoren for partiklen med ladning ${\displaystyle q_{1}}$,

${\displaystyle {\vec {r}}_{2}}$ er stedvektoren for partiklen med ladning ${\displaystyle q_{2}}$.

Ofte forkortes udtrykket ved at benævne den første brøk Coulomb-konstanten ${\displaystyle k_{c}}$ hvor

${\displaystyle k_{c}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}=8.987742438\times 10^{9}{\text{N}}{\text{m}}^{2}{\text{C}}^{-2}}$

Coulombs lov skrives da

${\displaystyle F=k_{c}{\dfrac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}}$

Det ses derved tydeligere at Coulombs lov har samme matematiske form som Newtons universelle gravitationslov.

Addition af kræfter

Systemer med flere end to ladede partikler fx et trepartikelsystem med ladningerne ${\displaystyle q_{1}}$, ${\displaystyle q_{2}}$ og ${\displaystyle q_{3}}$ behandles ved hjælp af superpositionsprincippet. Det betyder at kraften på ${\displaystyle q_{1}}$ er en sum af kræfterne som ${\displaystyle q_{2}}$ og ${\displaystyle q_{3}}$ virker med, dvs.

${\displaystyle {\vec {F_{1}}}={\vec {F}}_{21}+{\vec {F}}_{31}={\dfrac {q_{1}}{4\pi \varepsilon _{0}}}\left({\dfrac {q_{2}}{|{\vec {r}}_{21}|^{2}}}{\hat {r}}_{21}+{\dfrac {q_{3}}{|{\vec {r}}_{31}|^{2}}}{\hat {r}}_{31}\right)}$

Generelt for ${\displaystyle N}$ ladninger bliver kraften på ladning 1:

${\displaystyle {\vec {F_{1}}}=\sum _{i=2}^{N}{\vec {F}}_{i1}={\dfrac {q_{1}}{4\pi \varepsilon _{0}}}\sum _{i=2}^{N}{\dfrac {q_{i}}{|{\vec {r}}_{i1}|^{2}}}{\hat {r}}_{i1}}$

Superpositionsprincippet gælder også for det elektriske felt og det elektriske potential.

Elektrisk felt

Det elektriske felt er defineret som kraften pr. ladning. Det elektriske felt omkring ladning 2 er derfor

${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {{\vec {F}}_{1}}{q_{1}}}}$

eller

${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q_{2}}{|{\vec {r}}_{21}|^{2}}}{\hat {r}}_{21}}$

Potentiel energi og potential

Hovedartikel: Elektrisk potential.

Den elektrostatiske kraft, som afhænger af positionen af den elektrisk ladede partikel dvs. ${\displaystyle F=F(r)}$, er en konservativ kraft. Konservative kræfter kan beskrives med en potentialfunktion ${\displaystyle V=V(r)}$ (potentiel energi), der opfylder

${\displaystyle -{\frac {{\text{d}}V}{{\text{d}}r}}=F}$ ,

hvoraf det følger, at

${\displaystyle V=-\int Fdr=-{\dfrac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\int {\dfrac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}={\dfrac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\dfrac {q_{1}q_{2}}{r}}+C}$

Integrationskonstanten ${\displaystyle C}$ vælges konventionelt således, at ${\displaystyle V\rightarrow 0}$ for ${\displaystyle r\rightarrow \infty }$, hvilket medfører at ${\displaystyle C=0}$. Den potentielle energi for den elektrostatiske interaktion er altså

${\displaystyle V={\dfrac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\dfrac {q_{1}q_{2}}{r}}}$.

Ofte defineres the elektriske potential dog, som den potentielle energi per ladning. Potentialet omkring ladning 2 er altså

${\displaystyle \phi ={\dfrac {V}{q_{1}}}}$

hvilket er det samme som

${\displaystyle \phi (r)={\dfrac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\dfrac {q_{2}}{r}}}$

Mens kraften er invers proportional med den kvadrerede afstand, er potentialet altså blot inverst proportionalt med afstanden. Den negative gradient er derfor det elektriske felt.

Litteraturhenvisninger

1. Demtröder, Wolfgang. "Elektrostatik", Experimentalphysik 2 - Elektrizität und Optik (6. udgave), Springer Spektrum. 2002, s. 2-6. ISBN 978-3-642-29943-8.