Kalkulator siły elektrostatycznej

Prawo Coulomba opisuje siłę elektrostatyczną między dwoma ładunkami punktowymi. Głosi, że siła jest wprost proporcjonalna do iloczynu modułów ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi: F = k × |q₁ × q₂| / r². Zostało sformułowane przez Charlesa-Augustina de Coulomba w 1785 roku.

Stała Coulomba k = 1/(4πε₀) ≈ 8,9876 × 10⁹ N·m²/C², gdzie ε₀ = 8,854 × 10⁻¹² F/m to przenikalność elektryczna próżni. Stała ta określa intensywność oddziaływania elektromagnetycznego w próżni.

Ładunki o przeciwnych znakach (jeden dodatni, drugi ujemny) przyciągają się wzajemnie. Ładunki o tym samym znaku (oba dodatnie lub oba ujemne) odpychają się. Prawo Coulomba podaje moduł siły; kierunek zależy od znaków ładunków.

Siła elektrostatyczna maleje z kwadratem odległości (prawo odwrotnych kwadratów). Podwojenie odległości zmniejsza siłę czterokrotnie, potrojenie — dziewięciokrotnie. Dlatego makroskopowe obiekty rzadko odczuwają wyraźne siły elektrostatyczne, chyba że posiadają bardzo duże ładunki.

Przenikalność elektryczna względna εr (stała dielektryczna) mierzy, o ile materiał osłabia siłę elektrostatyczną w porównaniu z próżnią. Dla próżni i powietrza εr ≈ 1, dla wody εr ≈ 80. Im wyższa εr, tym silniejsze ekranowanie ładunków i tym mniejsza siła oddziaływania.

Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest kulomb (C). W praktyce typowe ładunki są znacznie mniejsze: 1 mikrokulum (µC) = 10⁻⁶ C, 1 nanokulum (nC) = 10⁻⁹ C. Ładunek elementarny elektronu lub protonu wynosi ok. 1,602 × 10⁻¹⁹ C.

Wewnątrz przewodnika w stanie równowagi elektrostatycznej pole elektryczne wynosi zero, a swobodne ładunki przemieszczają się na powierzchnię. Prawo Coulomba nadal obowiązuje dla poszczególnych ładunków, ale makroskopowe pole wewnątrz się znosi. Prawo jest bezpośrednio stosowane do ładunków punktowych w próżni lub ośrodkach izolacyjnych.

Na poziomie atomowym siła elektrostatyczna jest nieporównywalnie silniejsza od grawitacji. Stosunek siły elektrostatycznej do grawitacyjnej między dwoma protonami wynosi ok. 10³⁶. Jednak makroskopowe ciała są zazwyczaj elektrycznie obojętne, więc w codziennym życiu dominuje grawitacja, mimo że fundamentalnie jest znacznie słabsza.

Tak. Dla układu wielu ładunków obowiązuje zasada superpozycji: całkowita siła działająca na dowolny ładunek jest wektorową sumą sił od każdego innego ładunku z osobna. Kalkulator oblicza siłę między dokładnie dwoma ładunkami; dla bardziej złożonych układów należy obliczyć każdą parę i zsumować wektory.

Prawo Coulomba jest klasycznym przybliżeniem, obowiązującym dla ładunków punktowych w spoczynku w reżimie nierelatywistycznym i w odległościach znacznie większych niż jądra atomowe. Na bardzo małych odległościach dominują efekty kwantowo-mechaniczne. Dla ładunków w ruchu należy stosować pełne równania Maxwella lub relatywistyczną elektrodynamikę.