Досвід Кулона за визначенням сили електростатичної взаємодії точкових зарядів

У 1784 році французький військовий інженер Шарль Огюстен де Кулон, який знайшов своє справжнє покликання у фізиці, провів експеримент, що увійшов в історію науки під його ім'ям. Знаменитий досвід Кулона поклав початок точним кількісним методам вивчення різних проявів електромагнетизму. Передісторія події

Кулон, плідно займався наукою протягом багатьох років, звичайно, спирався на результати досліджень в області електрики, отримані його попередниками, так і на власні напрацювання, що дозволили йому досягти успіху в експериментальному підтвердженні вже склалися до того часу уявлень про силу взаємодії електрично заряджених тел.

Ф. Епінус, Д. Бернуллі, Дж. Прістлі та інші видатні вчені другої половини XVIII століття висловлювали твердження про те, що електричні сили підкоряються зворотного квадратичній залежності від відстані, що розділяє заряди. Однак здійснити пряме вимірювання цих сил до досвіду Кулона було вельми непросто.

Причина в тому, що при накладанні зовнішнього електричного поля тіла поляризуються (електризуються) – в них відбувається просторовий перерозподіл щільності зарядів, тобто тіла стають електричними диполями. Внаслідок цього заряди на досліджуваних тілах будуть взаємодіяти не тільки один з одним, але і з різними елементами обладнання, порушуючи чистоту досвіду, і цю перешкоду необхідно враховувати. Крім того, серйозну складність представляло конструювання такого приладу, який дозволив би вимірювати малі величини сил електростатичного відштовхування або тяжіння.

Кулон винайшов якраз такий прилад, який володів достатньою чутливістю, – крутильні терези. Це йому вдалося багато в чому завдяки тому, що вчений кілька років присвятив дослідженню механіки кручення ниток з різних матеріалів. Саме величина закручування металевої нитки підвісу в досвіді Кулона з крутильными вагами лягла в основу дії експериментальної установки. Пристрій приладу

Головна частина конструкції – це підвішений на надзвичайно тонкою срібною дроту коромисло, виконане з шелаку. На одному кінці цього коромисла був укріплений позолочений кулька, виточений із серцевини бузинового стовбура (цей матеріал – дуже сухий і легкий, що сприяло збільшенню чутливості приладу). Роль противаги і стабілізатора коромисла грав закріплений на іншому кінці гурток з паперу, просоченої скипидаром.

Ваги розміщувалися в циліндричному скляному посуді; дріт при цьому була пропущена через додатковий вузький верхній циліндр, поворотну кришку якого експериментатор оснастив кругової градусною шкалою, щоб мати можливість повідомляти дроті підкручення на відомі кути. Основний циліндр також був отградуирован по колу на рівні коромисла. Кришка його мала особливе отвір, в який міг вставлятися на стержні ще одна кулька – копія першого. Опис досвіду Кулона

Французький фізик провів експеримент наступним чином. Попередньо наелектризований кульку на стержні приводився в зіткнення з кулькою коромисла, встановленого на нульовій позначці шкали. При цьому електричний заряд розподілявся порівну між кульками, оскільки вони мали рівні діаметри і, відповідно, площі поверхонь.

Внаслідок електростатичного відштовхування кульок коромисло верталося, закручуючи срібну нитку на кут, величина якого залежить від сили відштовхування і від пружності нитки, яка Кулону була добре відома. Потім експериментатор надавав дроті зворотний закрутку і знову фіксував кути відхилення коромисла за шкалою на великому циліндрі. Залежність сили від відстані між зарядами вчений визначав по співвідношенню між кутом відхилення коромисла від нульового положення і загальним кутом закручування (з урахуванням підкручення нитки).

З'ясувати взаємозв'язок між силою відштовхування і величиною електричного заряду в досвіді Кулон зумів, послідовно ділячи заряд наелектризованого кульки навпіл за допомогою контакту з нейтральним кулькою такого ж розміру на ізолюючої рукоятці. Встановлення фізичної закону

Прилад давав досить велику похибку з ряду причин: витік заряду, неможливість виставити коромисло точно по нуля шкали вимірювання відстані в кутах, а не безпосередньо між зарядами і так далі. Кулон, проте, зумів оцінити і врахувати цю похибку і точно встановити співвідношення між електростатичними силами, величиною зарядів і відстанню між ними. Встановлений у серії дослідів закон Кулона у формулюванні самого вченого свідчить: модуль сили, з якою взаємодіють у вакуумі два точкових електричних заряду, пропорційний добутку їх величин і обернено пропорційний квадрату відстані, на яку вони віддалені один від одного. Математичний вигляд цієї залежності такий: F ~ (q1?q2)/r2.

Сучасне визначення додає лише, що сила діє уздовж прямої лінії, яка з'єднує заряди. Крім того, залежність перетворюється в рівняння шляхом введення коефіцієнта пропорційності, пов'язаного з електричною постійної: F = k(q1?q2)/r2.

Досвід Кулона мав величезне значення для фізики. Він вперше дозволив не тільки виявити один з фундаментальних законів електромагнетизму, але і дати йому чітку математичну формулювання, що дала можливість кількісно описувати великий клас природних явищ. Автор: Вінера Андрєєва 9 Липня, 2018

Категория: Студентам