庫(kù)侖定律知多少

裴強(qiáng)

1785年，法國(guó)科學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^(guò)他自己設(shè)計(jì)的扭秤，測(cè)量出帶電球體之間非常微弱的靜電力遵循與兩個(gè)帶電球體電荷量的乘積成正比，與距離的平方成反比的特點(diǎn)，從而建立了庫(kù)侖定律。庫(kù)侖定律不僅闡明了帶電體之間相互作用的規(guī)律，奠定了整個(gè)電磁學(xué)的基礎(chǔ)，同時(shí)它也是物理學(xué)的基本定律之一。下面將庫(kù)侖定律的幾個(gè)特點(diǎn)介紹如下。

一、靜電力與距離平方成反比是自然界最精準(zhǔn)的規(guī)律之一

卡文迪許采用檢驗(yàn)空心導(dǎo)體內(nèi)表面帶電程度的方法，證實(shí)靜電力與距離平方成反比規(guī)律偏差δ<10-2，這個(gè)結(jié)果和庫(kù)侖的實(shí)驗(yàn)偏差基本是一樣的。到1873年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋用同樣的方法證實(shí)其偏差δ<10-4。到1939年，普林頓和勞頓用靈敏電流計(jì)和電子學(xué)放大儀器重復(fù)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其偏差δ<10-9。后來(lái)又有科學(xué)家使用更高靈敏度的放大器，并在內(nèi)導(dǎo)體殼內(nèi)放置檢驗(yàn)器和記錄儀器，使得其偏差降到δ<10-13和δ<10-16。有力地證明了靜電力與距離平方成反比是自然界最精準(zhǔn)的規(guī)律之一。

二、庫(kù)侖定律的適用范圍

點(diǎn)電荷指的是形狀、大小及帶電體上電荷之間相互作用力可以忽略的帶電體，另外只有“靜止”的點(diǎn)電荷才會(huì)在空間中激發(fā)靜電場(chǎng)，這時(shí)點(diǎn)電荷之間的相互作用力才會(huì)相等。因此，教科書(shū)中介紹庫(kù)侖定律適用于兩個(gè)點(diǎn)電荷靜止的情況。

那么庫(kù)侖定律里兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的距離是多少才是有效的呢？1912年，盧瑟福在檢驗(yàn)原子核模型所做的α粒子散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)，兩個(gè)點(diǎn)電荷間的距離在10-15m以上庫(kù)侖定律可以嚴(yán)格成立。1980年，丁肇中在他的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中提到輕子的半徑小于10-18m，這說(shuō)明帶電體之間的距離小于10-18m時(shí)，庫(kù)侖定律仍然可以成立。另外，大量的地球物理探測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，在大到地球的線度內(nèi)即107m，庫(kù)侖定律都是可以很好地成立的。至于庫(kù)侖定律是否能在更大的距離范圍內(nèi)成立，當(dāng)前沒(méi)有明確研究定論。

三、庫(kù)侖定律與其他物質(zhì)無(wú)關(guān)

在教科書(shū)中，庫(kù)侖力往往指真空中兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用力，其目的是為了去除其他電荷的影響。但是，有了“真空中”這樣的限制條件，就會(huì)使人產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)：其他物質(zhì)是否會(huì)影響庫(kù)侖定律的成立？答案是：庫(kù)侖定律與其他物質(zhì)無(wú)關(guān)，其他物質(zhì)的存在并不會(huì)影響庫(kù)侖定律的成立。但是，當(dāng)空間中存在其他物質(zhì)時(shí)，原來(lái)的兩個(gè)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)就會(huì)使得這些物質(zhì)產(chǎn)生極化電荷或感應(yīng)電荷。同時(shí)，原來(lái)的這兩個(gè)電荷也會(huì)受到這些極化電荷或感應(yīng)電荷的影響，這會(huì)極大增加它們相互之間相互作用力的復(fù)雜程度。

我們?cè)谘芯侩姶努F(xiàn)象時(shí)，往往需要對(duì)現(xiàn)實(shí)存在的物體進(jìn)行簡(jiǎn)化，抽象成理想模型以方便討論問(wèn)題。但是，理想模型的建立是需要一定條件的。

庫(kù)侖定律作為電磁學(xué)發(fā)展史上的第一個(gè)定量規(guī)律，它為整個(gè)電磁學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展也產(chǎn)生了重大影響。但是，當(dāng)兩個(gè)電荷具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們就不再遵守庫(kù)侖定律，當(dāng)然此時(shí)，它們之間的相互作用力也不遵守牛頓第三定律。這也就要求我們要有一個(gè)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度去認(rèn)識(shí)它、學(xué)習(xí)它和應(yīng)用它。

編輯 張佳琪