04 // インタラクティブ数式・公式辞典 // 力学・電磁気学・相対性理論の物理公式集F = k_e · |q₁ · q₂| / r², where k_e = 1 / (4π ε₀)
クーロンの法則・電場（電界）・電位の公式シート
点電荷間に働く逆2乗の静電気力、空間の電場ベクトル E、および基準点からの電位 V の関係を真空・誘電体ともに解説します。
公式リファレンス
基本公式
F = k_e · |q₁ · q₂| / r², where k_e = 1 / (4π ε₀)
変形した式
E = F / q₀ = k_e · |Q| / r² (Point-Charge Electric Field in N/C or V/m)
V = k_e · Q / r, U_e = k_e · (q₁ · q₂) / r (Electric Potential & Energy)
k_e = 8.98755 × 10⁹ N·m²/C², ε₀ = 8.85419 × 10⁻¹² F/m
変数と単位
| Symbol | Name | Unit |
|---|---|---|
| F | Electrostatic Force Magnitude (F) | N |
| q1_uC | Point Charge |q₁| (microcoulombs, μC) | μC |
| q2_uC | Point Charge |q₂| (microcoulombs, μC) | μC |
| r | Separation Distance (r) | m |
入力値・パラメータ
[μC]
[μC]
[m]
計算結果 (Electrostatic Force Magnitude (F))
F =0.998617N
公式の解説・背景
- Start with Gauss's Law ∮ E · dA = Q_enc / ε₀ over a concentric spherical surface of area 4πr² around point charge Q.
- By spherical symmetry, E(4πr²) = Q / ε₀ ⇒ E = Q / (4πε₀ r²) = k_e Q / r².
- Placing a second charge q₂ in field E produces the Lorentz electrostatic force F = q₂ E = k_e q₁ q₂ / r².
具体的な計算例
#1: Calculate the electrostatic force between q₁ = +5.0 μC and q₂ = −2.0 μC separated by r = 0.30 m in air.
|q₁| = 5 × 10⁻⁶ C|q₂| = 2 × 10⁻⁶ Cr = 0.30 m
F = (8.98755×10⁹ × 5×10⁻⁶ × 2×10⁻⁶) / (0.30)² = 0.089876 / 0.09
→ F = 0.9986 N (attractive since signs are opposite)
#2: Compare the electrostatic attraction vs. gravitational attraction between a proton and electron in a hydrogen atom (r = 5.29 × 10⁻¹¹ m).
|e| = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cm_p = 1.673 × 10⁻²⁷ kgm_e = 9.109 × 10⁻³¹ kg
F_e / F_g = (k_e e²) / (G m_p m_e) = 2.307×10⁻²⁸ / 1.017×10⁻⁶⁷
→ F_e / F_g ≈ 2.27 × 10³⁹ (electrostatics is 39 orders of magnitude stronger!)
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よくある質問（FAQ）
クーロンの法則・電場（電界）・電位の公式シートの使い方は？+
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はい。計算結果のワンクリックコピーに加え、高解像度のSVG・PNG画像、CSVデータ、印刷用ワークシートとして即座に出力できます。
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