Coulombmodellen

Coulombmodellen är en grundläggande beskrivning av elektrostatiska krafter mellan laddade partiklar och används inom fysik, kemi och materialvetenskap. Den bygger på Coulombs lag, formulerad av Charles-Augustin de Coulomb på 1700-talet. Kraften mellan två punktladdningar q1 och q2 som är separerade med avståndet r ges av F = k q1 q2 / r^2, där k är Coulombs konstant. I vakuum är k lika med 1/(4π ε0) och är cirka 8,99×10^9 N m^2/C^2; den associerade potentialenergin är V(r) = k q1 q2 / r. I dielektriska medier används ofta en reducerad effekt genom dielektrisk konstant ε_r: F = k q1 q2 / (ε_r r^2) och V(r) = k q1 q2 / (ε_r r).

Modellen bygger på antagandet att laddningarna är punktladdningar och att omgivningen är linjär och isotrop. Den används som grundläggande byggsten i många beräkningsmetoder, exempelvis inom molekylär dynamik, kvantkemi, kristallografi och plasmaphysik, där längre räckvidd behövs för att beskriva interaktioner mellan elektriska laddningar. För system där det finns periodiska gränser eller många partiklar används oftast effektiva tekniker för långräntsberäkningar, såsom Ewald-summation eller Particle Mesh Ewald (PME).

Begränsningar finns bland annat i att verkliga system uppvisar polarisering, kvantmekaniska effekter och andra krafter som van der Waals, vilka inte fångas av en enkel Coulombmodell. I praktiken kombineras Coulombmodellen ofta med polariseringseffekter och van der Waalskrafter i mer avancerade force fields eller i kvant-kemiska metoder för bättre realism.

Se även elektrostatik, Ewald-summation, molekylär dynamik, dielektrisk konstant.