В 1784 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, нашедший свое истинное призвание в физике, провел эксперимент, вошедший в историю науки под его именем. Знаменитый опыт Кулона положил начало точным количественным методам изучения различных проявлений электромагнетизма.
Предыстория события
Кулон, плодотворно занимавшийся наукой в течение многих лет, конечно, опирался как на результаты исследований в области электричества, полученные его предшественниками, так и на собственные наработки, позволившие ему добиться успеха в экспериментальном подтверждении уже сложившихся к тому времени представлений о силе взаимодействия электрически заряженных тел.
Ф. Эпинус, Д. Бернулли, Дж. Пристли и другие видные ученые второй половины XVIII века высказывали утверждение о том, что электрические силы подчиняются обратной квадратичной зависимости от расстояния, разделяющего заряды. Однако осуществить прямое измерение этих сил до опыта Кулона было весьма непросто.
Причина в том, что при наложении внешнего электрического поля тела поляризуются (электризуются) – в них происходит пространственное перераспределение плотности зарядов, то есть тела становятся электрическими диполями. Вследствие этого заряды на исследуемых телах будут взаимодействовать не только друг с другом, но и с различными элементами оборудования, нарушая чистоту опыта, и эту помеху необходимо учитывать. Кроме того, серьезную сложность представляло конструирование такого прибора, который позволил бы измерять малые величины сил электростатического отталкивания или притяжения.
Кулон изобрел как раз такой прибор, обладавший достаточной чувствительностью, – крутильные весы. Это удалось ему во многом благодаря тому, что ученый несколько лет посвятил исследованию механики кручения нитей из различных материалов. Именно величина закручивания металлической нити подвеса в опыте Кулона с крутильными весами легла в основу действия экспериментальной установки.
Устройство прибора
Главная часть конструкции – это подвешенное на чрезвычайно тонкой серебряной проволоке коромысло, выполненное из шеллака. На одном конце этого коромысла был укреплен позолоченный шарик, выточенный из сердцевины бузинового ствола (этот материал – очень сухой и легкий, что способствовало увеличению чувствительности прибора). Роль противовеса и стабилизатора коромысла играл закрепленный на другом конце кружок из бумаги, пропитанной скипидаром.
Весы размещались в цилиндрическом стеклянном сосуде; проволока при этом была пропущена через дополнительный узкий верхний цилиндр, поворотную крышку которого экспериментатор оснастил круговой градусной шкалой, чтобы иметь возможность сообщать проволоке подкрутку на известные углы. Основной цилиндр также был отградуирован по окружности на уровне коромысла. Крышка его имела особое отверстие, в которое мог вставляться на стержне еще один шарик – копия первого.
Описание опыта Кулона
Французский физик провел эксперимент следующим образом. Предварительно наэлектризованный шарик на стержне приводился в соприкосновение с шариком коромысла, установленного на нулевой отметке шкалы. При этом электрический заряд распределялся между шариками поровну, поскольку они имели равные диаметры и, соответственно, площади поверхностей.
Вследствие электростатического отталкивания шариков коромысло поворачивалось, закручивая серебряную нить на угол, величина которого зависит от силы отталкивания и от упругости нити, которая Кулону была хорошо известна. Затем экспериментатор придавал проволоке обратную закрутку и снова фиксировал углы отклонения коромысла по шкале на большом цилиндре. Зависимость силы от расстояния между зарядами ученый определял по соотношению между углом отклонения коромысла от нулевого положения и общим углом закручивания (с учетом подкрутки нити).
Выяснить взаимосвязь между силой отталкивания и величиной электрического заряда в опыте Кулон сумел, последовательно деля заряд наэлектризованного шарика пополам при помощи контакта с нейтральным шариком такого же размера на изолирующей рукоятке.
Установление физического закона
Прибор давал достаточно большую погрешность по ряду причин: утечка заряда, невозможность выставить коромысло точно по нулю шкалы, измерение расстояния в углах, а не напрямую между зарядами и так далее. Кулон, однако, сумел оценить и учесть эту погрешность и точно установить соотношение между электростатическими силами, величиной зарядов и расстоянием между ними. Установленный в серии опытов закон Кулона в формулировке самого ученого гласит: модуль силы, с которой взаимодействуют в вакууме два точечных электрических заряда, пропорционален произведению их величин и обратно пропорционален квадрату расстояния, на которое они удалены друг от друга. Математический вид этой зависимости таков: F ~ (q1∙q2)/r2.
Современное определение добавляет лишь, что сила действует вдоль прямой линии, которая соединяет заряды. Кроме того, зависимость превращается в уравнение путем введения коэффициента пропорциональности, связанного с электрической постоянной: F = k(q1∙q2)/r2.
Опыт Кулона имел огромное значение для физики. Он впервые позволил не только выявить один из фундаментальных законов электромагнетизма, но и дать ему четкую математическую формулировку, давшую возможность количественно описывать обширный класс природных явлений.
Так что Кулон измерял не заряды, а напряжённость электростатического поля между шариками (единицей измерения может быть в этом случае Н/м).