库仑定律知多少

    裴强

    

    1785年，法国科学家库仑通过他自己设计的扭秤，测量出带电球体之间非常微弱的静电力遵循与两个带电球体电荷量的乘积成正比，与距离的平方成反比的特点，从而建立了库仑定律。库仑定律不仅阐明了带电体之间相互作用的规律，奠定了整个电磁学的基础，同时它也是物理学的基本定律之一。下面将库仑定律的几个特点介绍如下。

    一、静电力与距离平方成反比是自然界最精準的规律之一

    卡文迪许采用检验空心导体内表面带电程度的方法，证实静电力与距离平方成反比规律偏差δ<10-2，这个结果和库仑的实验偏差基本是一样的。到1873年，英国物理学家麦克斯韦用同样的方法证实其偏差δ<10-4。到1939年，普林顿和劳顿用灵敏电流计和电子学放大仪器重复实验，证实其偏差δ<10-9。后来又有科学家使用更高灵敏度的放大器，并在内导体壳内放置检验器和记录仪器，使得其偏差降到δ<10-13和δ<10-16。有力地证明了静电力与距离平方成反比是自然界最精准的规律之一。

    二、库仑定律的适用范围

    点电荷指的是形状、大小及带电体上电荷之间相互作用力可以忽略的带电体，另外只有“静止”的点电荷才会在空间中激发静电场，这时点电荷之间的相互作用力才会相等。因此，教科书中介绍库仑定律适用于两个点电荷静止的情况。

    那么库仑定律里两个点电荷之间的距离是多少才是有效的呢？1912年，卢瑟福在检验原子核模型所做的α粒子散射实验证实，两个点电荷间的距离在10-15m以上库仑定律可以严格成立。1980年，丁肇中在他的实验报告中提到轻子的半径小于10-18m，这说明带电体之间的距离小于10-18m时，库仑定律仍然可以成立。另外，大量的地球物理探测实验表明，在大到地球的线度内即107m，库仑定律都是可以很好地成立的。至于库仑定律是否能在更大的距离范围内成立，当前没有明确研究定论。

    三、库仑定律与其他物质无关

    在教科书中，库仑力往往指真空中两个点电荷之间的相互作用力，其目的是为了去除其他电荷的影响。但是，有了“真空中”这样的限制条件，就会使人产生这样的疑问：其他物质是否会影响库仑定律的成立？答案是：库仑定律与其他物质无关，其他物质的存在并不会影响库仑定律的成立。但是，当空间中存在其他物质时，原来的两个电荷产生的电场就会使得这些物质产生极化电荷或感应电荷。同时，原来的这两个电荷也会受到这些极化电荷或感应电荷的影响，这会极大增加它们相互之间相互作用力的复杂程度。

    我们在研究电磁现象时，往往需要对现实存在的物体进行简化，抽象成理想模型以方便讨论问题。但是，理想模型的建立是需要一定条件的。

    库仑定律作为电磁学发展史上的第一个定量规律，它为整个电磁学的发展奠定了基础，对整个物理学的发展也产生了重大影响。但是，当两个电荷具有相对运动时，它们就不再遵守库仑定律，当然此时，它们之间的相互作用力也不遵守牛顿第三定律。这也就要求我们要有一个更严谨的态度去认识它、学习它和应用它。

    编辑 张佳琪