কুলম্বের সূত্র

কুলম্বের সূত্র তথা কুলম্বের বিপরীত বর্গীয় সূত্র হলো পদার্থবিজ্ঞানের এমন একটি সূত্র, যা দুটি আধানের (চার্জের) মধ্যবর্তী আকর্ষণ বা বিকর্ষণের স্বরূপ ব্যাখ্যা করে। ১৭৮৫ খ্রিষ্টাব্দ ফরাসি পদার্থবিদ চার্লস-অগাস্টিন-দে-কুলম্ব সূত্রটি আবিষ্কার করেন এবং তিনি তড়িৎ চুম্বকত্বের যথেষ্ট উন্নতি সাধন করেন। এই সূত্র নিউটনের মহাকর্ষীয় সূত্র-এর সদৃশ। কুলম্বের সূত্র থেকে গাউসের সূত্র পাওয়া যায় এবং বিপরীতক্রমে গাউসের সূত্র থেকেও কুলম্বের সূত্র পাওয়া যায়। এই সূত্রটি ব্যাপকভাবে পরীক্ষিত এবং প্রমাণিত।
F∝q1q2
F∝1/r ²
F=kq1q2/r2
একই ধরনের চার্জ পরস্পরকে বিকর্ষণ করে এবং বিপরীতধর্মী চার্জ পরস্পরকে আকর্ষণ করে‌।
দুটি স্থির বিন্দু আধান এর মধ্যে কার্যকর
আকর্ষণ বা বিকর্ষণ বল আধান দ্বয়ের পরিমাণ এর গুণফলের সমানুপাতিক এবং তাদের মধ্যবর্তী দূরত্বের বর্গের ব্যস্তানুপাতিক
অর্থাৎ F ∝ q1q2
প্রাচীন ভূ-মধ্যসাগরীয়রা ধারণা করতো যে,রডের আম্বর নিশ্চিত বস্তু,যেটাকে বিড়ালের লোমের সাথে ঘর্ষন করলে পালকের এর মত বস্তুকে আকর্ষণ করে।মিলিটাস শহরের বিজ্ঞানী থেলাস ৬০০ শতাব্দির দিকে স্থির তড়িৎ এর ধারা তৈরী করে পর্যবেক্ষণ করেন এবং তিনি বিশ্বাস করতেন যে ঘর্ষণ অনুষ্ঠিত আম্বর চুম্বকীয়,অন্যভাবে খনিজ পদার্থ চুম্বকীয় কিন্তু যার ঘর্ষণ এর দরকার নেই। থেলাস এর ধারণা ভুল ছিল,সে বিশ্বাস করত যে এই আকর্ষণের কারণ হল চুম্বকীয় প্রভাব। কিন্তু, পরবর্তীতে বিজ্ঞান চুম্বক এবং তড়িৎ এর মধ্যে একটি সম্পর্ক প্রমাণ করে। ১৬০০ শতাব্দী পর্যন্ত তড়িৎ ছিল সহস্র বছরের কল্পনা, তখন ইংরেজ বিজ্ঞানী উইলিয়াম গিলবা্র্ট তড়িৎ এবং চুম্বকের সতর্কভাবে একটি পরীক্ষা করেছিলেন।
এই পরীক্ষায় তিনি আম্বর এর ঘর্ষণ দ্বারা স্থির তড়িৎ থেকে প্রভাব পার্থক্য করেছিলেন। তিনি ‘ইলেক্ট্রিকাস’ নামক নতুন ল্যাটিন শব্দ আবিষ্কার করেন(আম্বরের অথবা আম্বরের মতো গ্রীক শব্দ আম্বর)।যার মানে ঘর্ষণের পর কোন বস্তুর আকর্ষণী ধর্মকে বূঝায়।এই সমিতি দুটি ইংরেজি শব্দ ইলেক্ট্রিক এবং ইলেক্ট্রিসিটি দেয়। যা ১৬৪৬ সালে থমাস ব্রাউন এর সেউডক্সিয়া এপিদেমিকার (Pseudopodia Epidemica) প্রথম মুদ্রণে প্রকাশ পায়।
১৮ শতকের শুরুর দিকে বিজ্ঞানীরা সন্দেহ .করেছিল মধ্যাকর্ষণ শক্তির প্রভাবে তড়িৎ বল দুরত্তের সাথে হ্রাস পায়। যা ড্যানিয়েল বেরনলি এবং আলেক্সান্দ্রো ভোল্টা অন্তর্ভুক্ত করেন। তারা তড়িৎ ধারক এর উভয়পাতের বল পরিমাপ করেন।১৭৫৮ সালে ফ্রেঞ্চ আইপিনাস বিপরীত বর্গীয় সুত্র বের করেন।
তড়িৎ চার্জ এর বলয়ের পরীক্ষার উপর ভিত্তি করে ইংল্যান্ড এর বিজ্ঞানী জোসেফ প্রিস্টলি একটি প্রস্তাব করেন যে,তড়িৎ বল বিপরীত বর্গীয় সূত্র মেনে চলে এবং এটি নিউটন এর সার্বজনীন অভিকর্ষ সূত্রের অনুরুপ,তবে তিনি এ নিয়ে আর বেশি গবেষণা করেননি।পরবর্তীতে ১৭৬৭ সালে তিনি অনুমান করেছিলেন যে, বিপরীত বর্গীয় দুরত্বের কারণে এই বলের চার্জ তারতম্য ঘটে।
১৭৬৯ সালে স্কটিশ পদারথবিদ রবিনসন ঘোষণা করেন যে, তার হিসাব মতে দুটি সমান চিহ্ন এর বলয়ের বিকর্ষণ বলের তারতম্য x-2.06।১৭৭০ এর শুরুর দিকে ইংল্যান্ড এর বিজ্ঞানী হেনরি ক্যাভেন্ডিস চার্জ কাঠামোতে বলের নির্ভরশীলতার জন্য উভয় দূরত্ব এবং চার্জ আবিষ্কার করেছিল কিন্তু প্রকাশ করেন নি।
সর্বশেষ, ১৭৮৫ সালে ফরাসি পদার্থবিদ চার্লস অগাস্টটিন দ্যা কুলম্ব তার তড়িৎ এবং চুম্বক সম্পর্কিত প্রথম তিনটি প্রতিবেদন প্রকাশ করেন যেখানে তিনি তার সুত্র প্রদান করেছিলেন।তড়িৎ চুম্বকত্ব তত্তের উন্নতির জন্য এই প্রকাশনা ছিল খুব গুরুত্বপূর্ণ। তিনি চার্জ এর কণার আকর্ষণ এবং বিকর্ষণ বল বের করার জন্য কুণ্ডলী সমতা ব্যবহার করেন।এছাড়া চার্জ কণা দুটির চার্জ এর দূরতের বাস্তানুপাতিক।
এই কুণ্ডলীর কাঠামো একটি চিকন সুতা দারা বারের সাথে ঝুলানো থাকে।এই সুতা কুণ্ডলীর সাথে খুবই হালকাভাবে ক্রিয়া করে। কুলম্ব এর পরীক্ষাতে, কুণ্ডলীটি সিল্কের সুতার সাথে এক প্রান্তে একটি ধাতব বল এবং অপর প্রান্তে একটি হালকা রডের সাথে যুক্ত ছিল।এই প্রথম বলটি স্থির তড়িৎ এর চার্জএ চার্জিত ছিল এবং অপর বলটি সমান চার্জএ চার্জিত করে এর নিকট আনা হয়েছিল। চার্জিত বল দুটি একটি নির্দিষ্ট কোণের মাধ্যমে সূক্ষ্ সুতার দারা একে অপরকে প্রতিহত করে,যা যন্ত্রটির উপরের স্কেল থেকে বুঝা যায়।এটা জানতে হলে,মাধমের কোণ তৈরিতে কতটুকু বল লাগবে তা জানতে হবে।কুলম্ব গোলক দুটির মধ্যে বল এবং সমানুপাতিক এবং বাস্তানুপাতিক বের করতে সক্ষম হয়েছিলেন।
দুটি স্থির বিন্দু আধানের মধ্যে ক্রিয়াশীল আকর্ষণ বা বিকর্ষণ বল তাদের আধানের পরিমাণের গুণফলের সমানুপাতিক এবং তাদের মধ্যের দূরত্বের বর্গের ব্যাস্তানুপাতিক এবং এই বল আধানদ্বয়ের সংযোজী রেখা বরাবর ক্রিয়া করে এবং মাধ্যমের প্রকৃতির ওপর নির্ভর করে।
এই বল একইভাবে সোজাসুজি অংশগ্রহণ করে।যদি চার্জ এর চিহ্ন একই হয় তবে স্থির তড়িৎ বল একে অপরকে বিকর্ষণ করবে।আর যদি চার্জ এর চিহ্ন ভিন্ন হয়,তবে এইবল একে অপরকে আকর্ষণ করবে। 
কুলম্ব এর সুত্রকে অন্য উপায় গাণিতিকভাবে সহজে ব্যাখ্যা করা যায়।স্কেলার এবং ভেক্টর আকারে গাণিতিক সমীকরণ হল 
তড়িৎ চুম্বকীয় তত্ত্বে এস আই কে মানসম্মত একক ব্যবহার করা হয়।বলের একক নিউটন,চার্জ কুলম্ব এবং দূরত্ব মিটার। কুলম্ব এর ধ্রুবক formula_10।formula_11 ধ্রুবক একক C m N।এখানে formula_12 আপেক্ষিক উপাদান যেখানে চার্জ পরিপূর্ণ এবং মাত্রাহীন।তড়িৎ ক্ষেত্রের SI একক ভোল্ট/মিটার,নিউটন/কুলম্ব অথবা টেসলা মিটার/সেকেন্ড।
পারমাণবিক একক- পারমাণবিক এককে বলের একক হার্টরেস/বোরের ব্যাসার্ধ। চার্জ এর পরিবর্তে মৌলিক চার্জ এবং দূরতের পরিবর্তে বোরের ব্যাসার্ধ।
তড়িৎ একক বা গাউসের একক-তড়িৎ একক বা গাউসের একক এর মধ্যে একক চার্জ এর ব্যাখ্যা করা হয় যে কুলম্ব এর ধ্রুবক k অদৃশ্য কারণ এর একটা মান আছে এবং মাত্রাহীন।
তড়িৎ ক্ষেত্র হল একটি ভেক্টর ক্ষেত্র যেখানে প্রত্যেকটি বিন্দুর কুলম্ব এর বল দ্বারা পরীক্ষা করা হয়। একে স্কেলার ও ভেক্টর দুইভাবেই প্রকাশ করা যায়। ভেক্টর রাশিটি হল তড়িৎপ্রাবল্য(E= F/q) অর্থাৎ একক আধানকে তড়িৎক্ষেত্রে আনতে যে বল প্রয়োজন, তাকে তড়িৎপ্রাবল্য বলে।
আবার স্থির তাড়িতিক কার্য, W=(1/4πε)q¹q²/r = r•F 
তাই একক আধানকে তড়িৎক্ষেত্রের কোনো বিন্দুতে আনতে যে কার্য করতে হয়, তাকে তড়িৎবিভব বলে। 
V = W/q²= (1/4πε)•q/r
এটি তড়িৎক্ষেত্র মাপার স্কেলার মাপক।
এটা খুব সাধারণ ব্যাপার,তড়িৎ ক্ষেত্রের সৃষ্টি হয়েছে শুধুমাত্র একটি বিন্দু চার্জ এর উৎস থেকে। formula_13 কুলম্ব এর বলের উপর চার্জ formula_14 এবং তড়িৎ ক্ষেত্র formula_15 এর উপর নির্ভর করে।যদি তড়িৎ ক্ষেত্র ধনাত্মক চার্জ formula_14 হতে সৃষ্টি হয়,তবে তড়িৎ ক্ষেত্রের দিক বাহ্যিকভাবে বাহিরের দিকে হয়,আর ঋণাত্মক উৎসের চার্জ এর ক্ষেত্রে দিক ভেতরের দিকে হয়।তড়িৎ ক্ষেত্রের মান কুলম্ব এর সূত্র হতে পাওয়া যায়।একটি বিন্দুকে চার্জ এর উৎস ধরতে হবে এবং অন্যটি হবে পরীক্ষামুলক চার্জ।কুলম্ব এর সূত্র হতে পাওয়া যায় যে,তড়িৎ ক্ষেত্র formula_15 তৈরি হয় একটি মাত্র বিন্দু চার্জ থেকে এবং একটি নির্দিষ্ট দূরত্ব formula_18 থেকে।যার ফলে :formula_19,এবং formula_11 হল তড়িৎ ধ্রুবক।[নিচের ছবিতে ভেক্টর বল formula_21,formula_3এর উপর ক্রিয়া করে।formula_23 বল formula_2 এর উপর ক্রিয়া করে।যখন formula_25 তখন বলগুলো পরস্পরকে বিকর্ষণ করবে এবং formula_26তখন বলগুলো পরস্পরকে আকর্ষণ করবে।]
ভেক্টর কাঠামোর ব্যাখ্যা স্কেলার কাঠামোর মতই কিন্তু এতি একটি একক ভেক্টর formula_27 এবং সমান্তরাল চার্জ formula_2 হতে formula_3 পর্যন্ত।যদি উভয় চার্জ এর চিহ্ন অভিন্ন হয় তবে তাদের গুনফল ধনাত্মক হবে এবং formula_3 এর উপর বলের দিক হবে formula_27এবং চার্জগুলো একে অপরকে বিকর্ষণ করবে।যদি উভয় চার্জ এর চিহ্ন ভিন্ন হয় তবে তাদের গুনফল ঋণাত্মক হবে,formula_3 এর উপর বলের দিক হবে formula_33; এবং তখন চার্জগুলো পরস্পরকে আকর্ষণ করবে।স্থির তড়িৎ বল formula_34,formula_2দারা অনুভুত হবে।নিউটনের ৩য় সুত্রানুসারে, formula_36
উপরিপাতনের নীতি কুলম্বের সূত্রকে যে কোনো বিন্দু চার্জ এর অন্তর্ভুক্ত করতে অনুমোদন করে।বিন্দু চার্জ এর পদ্ধতি অনুসারে বল বিন্দু চার্জ এর উপর ক্রিয়া করে।একক বলের জন্য বিন্দু চার্জ সাধারনত ভেক্টর যোগ হয়।তড়িৎ ক্ষেত্রের বিন্দুতে ভেক্টর বল সমান্তরাল যেখানে বিন্দু চার্জ অপসারন করা হয়ে থাকে।বল formula_37 এর উপর ক্ষুদ্র চার্জ formula_38 যার অবস্থান formula_39 এবং চার্জ পৃথকীকরণ formula_40 শূন্যর মধ্যে হলে :formula_41
যেখানে formula_42 এবং formula_43 হল আপেক্ষিকভাবে formula_44চার্জএর মান এবং অবস্থান। formula_45হল একক ভেক্টর যেখানে formula_46 (ভেক্টর বিন্দুর formula_42 হতে formula_38)
এই ক্ষেত্রে রৈখিক উপরিপাতন এর নীতি ব্যবহৃত হয়। ধারাবাহিক চার্জ বণ্টনের ক্ষেত্রে,এক খণ্ড চার্জ অঞ্চলের উপর যে পরিমান চার্জ বহন করে তা অসীম যোগফলের সমান formula_49 ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র চার্জ এর মত আচারন করে।সাধারনত রৈখিক চার্জ বণ্টনের ক্ষেত্রে,পৃষ্ঠ অথবা আয়তনের সাহায্য পরিমাপ সংক্রান্ত।
রৈখিক চার্জ বণ্টনের ক্ষেত্রে (প্রায় ভাল চার্জ এর একটা তার)যেখানে formula_50প্রতিটি দৈর্ঘ্য এককে চার্জ দেয় formula_51 এবং formula_52 হল ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র চার্জ দৈর্ঘ্য
পৃষ্ঠীয় চার্জ বণ্টনের ক্ষেত্রে(একটি সমান্তরাল বর্তনীতে প্রায় ভাল চার্জ)যেখানে formula_54প্রতি একক চার্জ দেয় এবং অবস্থান formula_51।formula_56ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র চার্জ আয়তন :
formula_57
চার্জ এর আয়তন বণ্টনের ক্ষেত্রে(চার্জ ভারি বস্তুর মধ্যে)যেখানে formula_58প্রতি একক আয়তনে চার্জ দেয় এবং অবস্থান formula_51, formula_60ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র চার্জ আয়তন হল
formula_61
একটি ছোট চার্জ formula_62 এর অবস্থান formula_39 হলে শূনের মধ্যে বল :formula_64
একটি সহজ পরীক্ষা দ্বারা কুলম্বের সূত্রের সত্যতা যাচাই করা যায়।ধরা যাক,formula_65ভরের দুটি গোলক নেয়া হল,তাদের সমান চার্জ formula_38 সমান দূরত্ব formula_67 এই গোলকের উপর তিন ধরনের বল কাজ করে,ওজন formula_68 রশির টান formula_69 তড়িৎ বল formula_37।এই সাম্য অবস্থানে
formula_71 ********(১)
এবং
formula_72 ********(২)
সমীকরণ ১ কে ২ দ্বারা ভাগ করে,
formula_73
গোলকের চার্জ এর মধ্যে দূরত্ব formula_74 এবং তাদের বিকর্ষণ বল formula_75।ধরি,কুলম্বের সূত্র নির্ভুল এবং এটি
formula_76
এবং
formula_77
এখন আমরা যদি যেকোনো একটি গোলককে চার্জ মুক্ত করি এবং যদি এটাকে চার্জ গোলকে রাখি তখন প্রতিটি চার্জ চার্জ q/2 অর্জন করবে। এই অবস্থায় হবে চার্জ এর মধ্যেবর্তি দূরত্ব এবং বিকর্ষণ বল হবে
formula_78 ******(৪)
৩ কে ৪ দারা ভাগ করি,
formula_79 *******(৫)
কোণ formula_80,formula_81 এবং চার্জ এর মধ্যে দূরত্ব formula_74 and formula_83 সমান প্রমাণ এর জন্য যথেষ্ট।পরীক্ষা ভুলের একটা হিসাব রাখতে হবে।অনুশীলনের ক্ষেত্রে কোণের মান বের করা বেশ কঠিন,যদি রাশির দৈর্ঘ্য বেশ বড় নেই তবে কর্ণের মান প্রায় ছোট হবে,
formula_84 **********(৬)
এই সম্ভাব্য সম্পর্ক কাজে লাগিয়ে সমীকরণ ৫ কে আরও সহজে লিখা যায়,
formula_85 formula_86
এইভাবে চার্জ এর দূরত্ব সত্যতা যাচাই করাটা সীমিত এবং ভাগ করা সম্ভাব্য তত্ত্ব দেখতে হবে।
২০১২ সালের শেষের দিকে ‘ইষ্টিটুটো নাজিওনাল ডি ফিসিকা নিউক্লিয়ারের’ গবেষকরা রোমের ফ্রেস্কাটির এর ‘ল্যাবরেটরি নাজিওনাল ডি ফিসিকাটি’ তে একটি পরীক্ষা করেন। সেখানে তারা চিহ্নিত করেন যে,ইলেকট্রন এর কিরণ এবং আবিষ্কারক যন্ত্রের মধ্যে বলের প্রসারণএ কোন বিলম্ব হয় নি।এটা চিহ্নিত করাছিল যে, ইলেকট্রন এর কিরণ বা আলোকরশ্মি ক্ষেত্রটির সাথে ভ্রমণ করে যেন পূর্ববর্তী আলোকরশ্মিগুলোর গঠন দৃঢ় হয়।যদিও প্রত্যাশিত প্রতিপাদন এর ফলাফল চিহ্নিত করে যে,সাময়িক স্মৃতিভ্রংশ কুলম্বের বলে উপস্থিত ছিল না।
অন্য সূত্রে দেখা যায় যে, কুলম্বের সূত্র পুরোপুরি নির্ভুল যখন বস্তুগুলো স্থির এবং যখন প্রায়ই ধীর গতিতে থাকে তখন প্রায় নির্ভুল। এই অবস্থাগুলোকে স্থির তড়িৎ এর আসন্ন বলে। যখন গতিবিধির ফলে স্থান দখল করে তখন তড়িৎ চুম্বক ক্ষেত্র যা পরিবর্তিত বলের প্রভাবে বস্তু দুটির মধ্যে উৎপন্ন হয়।গতিসম্পন্ন চার্জগুলোর মধ্যেবর্তী চুম্বকীয় আকর্ষণকে স্থির তড়িৎ ক্ষেত্রে বলের ঘটনা মনে করা হয়। কিন্তু আইনস্টাইনের আপেক্ষিক তত্ত্বের সাথেও একে বিবেচনা করা হয়। অন্যান্য তত্ত্ব যেমন ওয়েবার এর ইলেকট্রো ডায়নামিক বলে যে অন্যান্য গতি কুলম্বের সূত্র এর সংশোধনের উপর নির্ভরশীল।
কুলম্বের সূত্র এর ব্যবহার পরমাণুর মধ্যেও আছে। পারমাণবিক নিউক্লিয়াস এর ধনাত্মক চার্জ এবং ইলেকট্রনের প্রতিটি ঋণাত্মক চার্জ এর মধ্যবর্তী বলকে নির্ভুলভাবে ব্যাখ্যা করতে এটি ব্যবহৃত হয়। অণু হতে পরমাণুকে একত্রে আলাদা করা কঠিন ও তরল হতে অণু, পরমাণুকে একত্রীকরণে এই সহজ সূত্রটি দারা নির্ভুলভাবে হিসাব পাওয়া যায়। সাধারণত, যেহেতু আয়ন এর মাঝে দূরত্ব বৃদ্ধি পাওয়া, আকর্ষণ শক্তি শুন্যের কাছাকাছি এবং আয়নিক বন্ধন কম সহায়ক। যেহেতু, বিপরীত চার্জ এর মান বৃদ্ধি, শক্তি বৃদ্ধি এবং আয়নিক বন্ধন অনেক সুবিধাপূর্ণ।