История опыта Кулона и его значение
Содержание
Около 600 года до н. э. греческий философ Фалес Милетский писал, что когда он натирает шерстью янтарь, тот начинает притягивать кусочки соломы и другие мелкие предметы. Ученые, начавшие изучать данное явление, уже имели слово для его обозначения, благодаря Фалесу. Ведь «электричество», образовано от греческого слова «электрон», означающего «янтарь». Изучая его, ученые заметили, что заряженные объекты иногда притягиваются друг к другу, а иногда отталкиваются.
Флюидные теории электричества
К 18 веку наблюдаемые электрические явления (притягивание и отталкивание заряженных тел) объяснялись двухфлюидной теорией, созданной французским ученым Шарлем Франсуа де Систерне дю Феем. Согласно его теории электричество состоит из двух жидкостей, способных протекать через твердые тела. Одна жидкость являлась носителем положительного заряда, а другая — отрицательного. При вступлении этих двух жидкостей в контакт они нейтрализовали друг друга.
Более простую, унитарную (однофлюидную) теорию создал американский ученый Бенджамин Франклин. Избыток этой жидкости создавал положительный заряд, недостаток — отрицательный. Теории двух и одной жидкости некоторое время сосуществовали и конкурировали, но ясно было одно: необходимо установить закон электрического взаимодействия.
Открытие закона Кулона
При кратком рассмотрении вопроса обычно указывается, что закон был установлен французским военным инженером и ученым Шарлем Кулоном. Но все не так просто. Еще до открытия численного выражения зависимости, известной теперь как закон Кулона, Франклин проводил эксперименты с т. н. «колодцем Беккариа» — полым металлическим сосудом на непроводящей подставке.
Для объяснения опытов по передаче «колодцу» заряда от небольшого заряженного шарика на изолирующей ручке российский и немецкий физик, действительный член Петербургской Академии наук, Франц Ульрих Теодор Эпинус высказал предположение, что маленькие частицы «электрической жидкости» (мы бы сказали сейчас электрические заряды) взаимодействуют с силой, пропорциональной величине каждого из зарядов, т. е. их произведению. Можно сказать, что в будущей формуле Кулона был предсказан «числитель».
Оставалось установить «знаменатель». Английский химик Джозеф Пристли первым предположил, что закон для электрических сил аналогичен закону для сил тяготения Ньютона (открыт в 1666 году, опубликован в 1687 году), и в 1767 году высказал предположение, что сила обратно пропорциональна расстоянию в квадрате.
Английский ученый Генри Кавендиш свое интуитивное предположение, что эта сила обратно пропорциональна степени расстояния (при этом степень могла быть 1, 2, 3 и т. д.), уточнил теоретическими расчетами, из которых следовало, что степень близка к 2 (если точнее, может находиться в пределах 1,97-2,03). Таким образом, формула Кулона была выведена Кавендишем теоретически в 1772 году. Это произошло за 13 лет до экспериментального подтверждения Кулоном. Но результаты Кавендиша были опубликованы лишь через 100 лет, Кулон о них знать не мог.
Опыты Кулона с крутильными весами и открытие закона
До вывода закона, носящего его имя, Кулон занимался изучением крутильных деформаций нитей. Точное знание связанных с этим закономерностей позволило ему построить крутильные (или торсионные) весы для измерения очень малых сил (весы реагировали на силу в одну миллиардную ньютона). В 1784 году Кулон приступил к экспериментам по изучению электрических и магнитных сил. Закон был выведен им на основе силы отталкивания двух одноименных зарядов, а затем выяснилось, что закон справедлив и для силы притяжения двух разноименных зарядов.
В своих весах Кулон использовал тонкое волокно из серебра, меди или шелка, к которому подвешивал иглу. На одном ее конце находился маленький, электрически заряженный шарик, а на другом — противовес, сбалансированный таким образом, чтобы игла могла вращаться в горизонтальной плоскости. Откалиброванные торсионные весы измеряли силу, необходимую для поворота иглы на заданный угол.
Поднося заряженный шарик из смолы к шарику на игле, ученый определял силу, с которой отталкивались заряды. Опыт Кулона позволил сделать вывод: «Сила отталкивания двух маленьких шаров с одинаковой природой электричества обратно пропорциональна второй степени расстояния между центрами шаров».
Распространение результата опыта на шарики с зарядами противоположного знака давалось с трудом, поскольку, когда шарики подходили слишком близко один к другому, они слипались, и эксперимент завершался неудачей. Но в итоге Кулону удалось-таки распространить результат на заряды противоположных знаков, и окончательное выражение закона Кулона таково: «Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».
В честь ученого в настоящее время единица электрического заряда в повсеместно принятой системе единиц СИ названа кулоном.