ไฟฟ้าสถิต : แรงระหว่างประจุและกฎของคูลอมบ์

คูลอมบ์ ได้ทดลองศึกษาแรงระหว่างประจุโดยใช้อุปกรณ์ดังรูป 1.7 ซึ่งมีส่วนประกอบสำคัญ ได้แก่ คานเล็กๆ ที่ทำด้วยฉนวนและมีลูกพิทติดที่ปลายคาน A และ B ข้างละลูก โดยแขวนคานกับลวดเงินเส้นเล็กๆ ให้คานวางตัวอยู่ในแนวระดับ ลูกพิทอีกลูกหนึ่งคือ D อยู่ใกล้ A เมื่อทำให้ D และ A มีประจุจะเกิดแรงระหว่างประจุบน D และ A แรงที่เกิดขึ้นนี้ทำให้เกิดโมเมนต์กระทำต่อคาน เป็นผลให้คานเบนจากแนวเดิม โดยมีลวดเงินเป็นแกนในการหมุน ดังนั้น ลวดเงินจะถูกบิดตามปริมาณการหมุนของคานและแรงต่อต้านการบิดของลวดเงินจะเพิ่มขึ้นตามมุมบิดที่ใหญ่ขึ้น ดังนั้น สำหรับแรงระหว่างประจุขนาดหนึ่งจะทำให้เกิดมุมบิดค่าหนึ่ง มุมที่คานบิดไปนี้อ่านค่าได้จากสเกล C ที่ติดอยู่กับผนังกล่อง การรู้ค่ามุมบิดจะช่วยในการคำนวณแรงระหว่างประจุได้ต่อไป

จากการทดลองด้วยเครื่องมือดังกล่าว คูลอมบ์สามารถสรุปได้ว่า แรงระหว่างประจุของ D กับ A แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุของ D กับ A นั่นคือ ถ้าให้ F เป็นขนาดของแรงระหว่างประจุของ D กับ A และ r เป็นระยะระหว่าง D กับ A และ Q₁, Q₂ เป็นประจุของ D กับ A และ ตามลำดับจะเขียนได้ว่า

เมื่อ K เป็นค่าคงตัวของการแปรผันในระบบเอสไอ แรง F มีหน่วยเป็นนิวตัน Q₁ และ Q₂ มีหน่วยเป็นคูลอมบ์ r มีหน่วยเป็นเมตร ดังนั้น K มีหน่วย นิวตัน (เมตร)² ต่อ (คูลอมบ์)²

ในการวัดค่า K เมื่อตัวกลางระหว่างประจุทั้งสองเป็นสุญญากาศหรืออากาศ ค่าคงตัว K นี้จะมีค่าเท่ากับ 9 x 10⁹ นิวตัน (เมตร)² ต่อ (คูลอมบ์)²

สมการ (1.1) ใช้คำนวณหาขนาดของแรงได้ทั้งในกรณีแรงผลักและแรงดึงดูดระหว่างประจุบนอนุภาค ดังรูป 1.8 ซึ่งเรียกว่า จุดประจุ ความสัมพันธ์ตามสมการนี้ เรียกว่า กฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)

แรงดูด แรงผลักทางไฟฟ้าสถิต เป็นปริมาณเวกเตอร์ , เวลามีหลายแรงมากระทำร่วมกัน จะต้องรวมแบบเวกเตอร์ , การคิดแรงแบบเวกเตอร์ให้เอาตัวถูกกระทำเป็นหลัก เวกเตอร์ทุกเวกเตอร์จะออกจากจุดที่ถูกกระทำนั้น มีหลักการดังนี้

– ถ้าแรง 2 แรงตั้งฉากกัน ดัง ภาพด้านล่าง