ГДЗ по физике, 10 класс, Касьянов, номер 58.4: Закон Кулона

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия двух точечных зарядов равна:

где k≈9·10⁹ Н·м²/Кл² — постоянная пропорциональности. Если бы два тела имели заметный избыточный заряд (например, по 1 Кл каждый) и находились на расстоянии 1 м, сила отталкивания составила бы:

Это колоссальная величина, способная разрушить любое материальное тело. Для сравнения, вес человека массой 70 кг составляет всего около 700 Н. Таким образом, если бы электрические силы действовали так же, как гравитационные (просто складываясь), они полностью доминировали бы над всеми остальными взаимодействиями.

Причина, по которой мы не наблюдаем этих гигантских сил в механике, кроется в структуре атома. Любое макроскопическое тело состоит из огромного количества протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд).

• Заряд протона: +e≈1,6·10^-19 Кл.
• Заряд электрона: -e≈-1,6·10^-19 Кл.

В нормальных условиях количество протонов и электронов в теле практически одинаково. Это означает, что суммарный электрический заряд тела близок к нулю:

Поскольку электрическая сила зависит от произведения зарядов (F∝q₁q₂), при малом суммарном заряде Q результирующая кулоновская сила взаимодействия между двумя нейтральными телами становится ничтожно малой.

Даже если тело кажется нейтральным, внутри него существуют сильные электрические поля, удерживающие электроны на орбитах. Однако эти поля действуют только на очень коротких расстояниях (внутри атомов и молекул). На больших расстояниях (масштабах механики) положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют влияние друг друга. Этот эффект называется экранированием .

Гравитационные силы, напротив, всегда являются силами притяжения и не имеют «отрицательной массы», которая могла бы их компенсировать. Поэтому гравитация накапливается пропорционально массе тела, тогда как электрические силы для нейтральных объектов взаимно уничтожаются.

Если мы специально нарушим нейтральность, например, натрем стеклянную палочку о шелк, то получим статический заряд порядка 10^-8 – 10^-7 Кл. Даже такой маленький заряд позволяет палочке притягивать мелкие бумажки или искрить. Но это лишь подтверждает правило: как только появляется дисбаланс зарядов, электрическая сила сразу начинает проявляться, конкурируя с силой тяжести. В обычной механике мы рассматриваем тела как нейтральные, поэтому членом с электрической силой можно пренебречь.