2021-10-30
Безкоэффициентный закон Кулона и закон Ампера
Когда у физиков не получается написать закон в чистом виде, используя только измеряемые параметры и константы, они вводят в него коэффициенты.
И это — нормальная практика.
Но можно ли обойтись без коэффициентов, которые не несут в себе никакого физического смысла?
Попробуем переписать два известных закона, используя безкоэффициентные выражения.
Для этого напомним некоторые параметры электрона:
- классический радиус: \(r_{e} = 2.82\cdot 10^{-15}\) (м);
- заряд: \(e = 1.6\cdot 10^{-19}\) (Кл);
- собственная ёмкость: \(C_{e} = 3.14\cdot 10^{-25}\) (Ф);
- собственная индуктивность: \(L_{e} = 2.82\cdot 10^{-22}\) (Гн).
Закон Кулона
Этот закон определяет силу взаимодействия \(F\) между двумя зарядами.
В частном виде этот закон известен нам ещё со школы и записывается в таком виде:
\[F = k {q_1\, q_2 \over r^2} \qquad (1)\]
где \(q_1 , q_2\) — величина зарядов, \(r\) — расстояние между ними,
\(k\) — коэффициент пропорциональности, который находится так: \(k=1 / (4\pi\varepsilon)\).
В свою очередь, \(\varepsilon\) — это электрическая постоянная [1].
Более общий вид этого закона можно найти здесь [2].
С точки зрения полученных ранее параметров электрона, мы можем по-новому взглянуть на этот закон:
\[F = {r_e \over C_e} {q_1\, q_2 \over r^2} \qquad (2)\]
С новой точки зрения получается, что взаимодействие между зарядами обеспечивается ёмкостью электрона и его размерами, и,
если в будущем будут найдены другие зарядовые частицы, то сила взаимодействия между ними будет пропорционально их радиусу и обратно пропорциональна их собственной ёмкости.
В более общем векторном виде закон Кулона можно теперь записать так:
\[\vec F_{12} = {r_e \over C_e} {q_1\, q_2 \over r^2_{12}} {\vec r_{12} \over r_{12}} \qquad (3)\]
Здесь: \(\vec F_{12}\) — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2,
\(\vec r_{12}\) — радиус-вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и по модулю равный расстоянию между зарядами: \(|\vec r_{12}| = r_{12}\).
Закон Ампера
Этот закон определяет силу взаимодействия \(F\) между двумя проводниками с током.
По своей форме записи, он очень похож на предыдущий:
\[F = {\mu \over 4\pi} {I_1\, I_2 \over r} 2\ell \qquad (4)\]
где \(\mu\) — магнитная постоянная [4], \(I_1\, I_2\) — токи, проходящие по проводникам, \(r\) — расстояние между ними, \(\ell\) — длина проводников.
Более общий вид этого закона можно найти здесь [3].
Применяя новый подход, закон Ампера теперь можно записать так:
\[F = {L_e \over r_e} {I_1\, I_2 \over r} 2\ell \qquad (5)\]
Новая точка зрения на этот закон предполагает, что взаимодействие между проводниками с током происходит благодаря индуктивности элементарных зарядов, образующих этот ток,
и размеров самого электрона.
Сила взаимодействия между проводниками с током прямо пропорциональна собственной индуктивности электрона и обратно пропорциональна его радиусу.
Как представляется авторам, такая форма записи этих законов более актуальна, т.к. каждый член формул, их описывающих, несёт в себе физический смысл.
Используемые материалы
- Википедия. Электрическая постоянная.
- Википедия. Закон Кулона.
- Википедия. Закон Ампера.
- Википедия. Магнитная постоянная.
- Википедия. Элементарный электрический заряд.