Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Zapisz jako PDF Udostępnij materiał

Kim był Charles Augustin Coulomb?

R4F3ISRZncrBk
Rys. I. Waga skręceń Coulomba.
R1XiJJt9WqAFR

tekst audiobooka poniżej

Pierwsze próby ilościowego zbadania oddziaływania ciał naładowanych elektrycznie podjęto w połowie XVIII wieku. Po wynalezieniu pierwszego kondensatora, tak zwanej butelki lejdejskiej, uzyskano możliwość zbierania dużych ładunków elektrycznych. Wielu badaczy niezależnie próbowało wtedy wyznaczać siłę oddziaływania między naładowanymi ciałami. Był wśród nich także Daniel Gralath, członek utworzonego w Gdańsku Towarzystwa Fizyki Eksperymentalnej (Societas Physicae Experimentalis), pierwszego towarzystwa fizycznego w Polsce.

W 1746 r. Gralath posłużył się precyzyjną wagą szalkową. Elektryzował pręt pod szalką uziemionej wagi i równoważył siłę przyciągania między prętem a szalką, kładąc odważniki na drugą szalkę. Zamiast jednak skupić się na zależności od odległości między elektrodami kulistymi, co mogło go doprowadzić do prawa Coulomba, wdał się w skomplikowane rozważania na temat długości iskier dla różnych konfiguracji przyrządów. Jego eksperymenty mają tylko znaczenie historyczne.

W tym samym czasie podobne badania przy użyciu wagi prowadzili np. Duńczyk Christian Gottlieb Kratzenstein, niemieccy fizycy Georg Matthias Bose i Georg Wilhelm Richmann oraz szwajcarski uczony Daniel I Bernoulli. Ten ostatni próbował mierzyć siłę między metalową tarczą ładowaną z maszyny elektrostatycznej i podobną tarczą przymocowaną na szczycie szklanej fiolki pływającej w wodzie. Siłę przyciągania mierzył równoważąc ją za pomocą obciążników fiolki. Przyrząd ten przypominał nieco obecny miernik kwasowości w akumulatorach samochodowych.

Bernoulli mierzył więc w zasadzie siłę – używając współczesnej terminologii – działającą między okładkami kondensatora płaskiego. Ogłosił, że wyniki jego pomiarów są zgodne z założeniem, że siła przyciągania elektrycznego między ciałami maleje z kwadratem odległości między nimi. Jego argumenty nie były jednak przekonywające.

Żadne ze wspomnianych badań nie pozwoliło odkryć postaci prawa oddziaływań elektrycznych. Więcej szczęścia miał Szkot John Robison, który w 1769 r. próbował wyznaczyć eksperymentalnie zależność siły oddziaływania między naładowanymi kulkami zakładając, że siła ta zależy od odległości między nimi jak 1/r n . Na podstawie kilkuset doświadczeń wywnioskował, że dla siły odpychania n = 2,06, co zaokrąglił do n = 2. Wyniku tego jednak z nieznanych powodów nie opublikował. Jego wyniki stały się znane dopiero w 1822 r., ponad 30 lat po ogłoszeniu prawa Coulomba.

Coulomb prowadził swe pomiary elektryczne przy użyciu czułej wagi skręceń, która umożliwiała pomiar bardzo małych sił. Był dobrze przygotowany do tych badań, ponieważ wcześniej starannie zbadał zjawisko skręcania drutu i wyznaczył zależność kąta skręcenia od skręcającego momentu siły.

Waga skręceń Coulomba to był szklany walec o średnicy i wysokości po 30 cm, przykryty płytą szklaną, w której były wywiercone dwa otwory. W otworze f , znajdującym się w środku płyty była umocowana rura szklana o wysokości 61 cm. W tej rurze był umieszczony cienki drut srebrny, którego skręcenie mierzono mikrometrem na górnym końcu rury w h. Do drutu na dolnym jego końcu P przymocowana jest pozioma igła ag (pokazana także w powiększeniu na Fig. 3.). Naładowaną kulkę d wprowadzano szczypcami do wnętrza walca. Wprowadzając do wnętrza naładowaną kulkę d dotykało się nią kulki a na końcu igły, co powodowało, że kulki uzyskiwały jednakowy ładunek. Siła odpychania była kompensowana siłą skręcenia drutu odczytywaną mikrometrycznie. Coulomb prowadził pomiary bardzo starannie, powtarzając je kilkakrotnie i wprowadzając poprawki na upływ ładunku z naładowanych kulek.

W 1785 r. mógł już ogłosić, że „siła odpychania dwóch małych kulek naelektryzowanych jednakowo zależy od odwrotności kwadratu odległości między środkami kulek”. Sprawdził także, że to prawo obowiązuje dla przyciągania kulek naładowanych przeciwnymi ładunkami. Jest ciekawe, że wyniki Coulomba zostały zaakceptowane bez zastrzeżeń tylko we Francji. W innych krajach na ogół uznawano, że wnioski Coulomba są nieuzasadnione i wynikają z użycia mało zbadanej wagi skręceń. Przeciwko prawu F ~ 1/r 2 wypowiadali się między innymi tak wybitni uczeni jak Alessandro Volta i Christian Oersted.

Coulomb zajął się także oddziaływaniem magnesów. Posługiwał się zmodyfikowaną wagą skręceń, ale sukces zawdzięcza stosowaniu bardzo długich magnesów, tak że w danej chwili mógł mierzyć oddziaływanie jednego tylko bieguna, a wpływ drugiego, odległego bieguna, zaniedbywać.

W 1785 r. ogłosił, że wyniki są zgodne z założeniem, iż oddziaływanie między biegunami magnetycznymi zmniejsza się z odległością jak jej kwadrat, tak jak dla ładunków elektrycznych. Do takich samych wniosków dotyczących zależności siły oddziaływania między magnesami od odległości między nimi dochodzili już wcześniej inni fizycy. Na przykład w 1750 r. John Michell ogłosił, że „przyciąganie i odpychanie magnesów zmniejsza się jak kwadrat odległości między odpowiednimi biegunami”, nie podał jednak żadnych szczegółów metody, którą osiągnął ten wynik. Dopiero wyniki Coulomba zostały poparte drobiazgową analizą i opisem pomiarów. Przez wiele lat to „prawo Coulomba dla mas magnetycznych” było cytowane w podręcznikach i zrezygnowano z niego dopiero ponad pół wieku później, po utrwaleniu nowych poglądów na naturę magnetyzmu.

Wiemy dziś, że w 1772 r. angielski uczony Henry Cavendish wykonał bardzo precyzyjne pomiary oddziaływania między ładunkami. Posłużył się metodą pośrednią, a mianowicie stwierdził brak ładunku na wewnętrznej powierzchni naładowanego przewodnika; to mogło zachodzić jedynie dla siły oddziaływania elektrycznego podlegającego tym samym prawom, co grawitacja, a więc zmieniającym się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości. Cavendish był jednak wielkim dziwakiem i nie podał nikomu informacji o swych doświadczeniach.

Dopiero w 1879 r. James Clerk Maxwell przeanalizował zachowane rękopisy Cavendisha i doszedł do wniosku, że wyznaczył on z dokładnością do 2% wykładnik n = 2 w prawie zależności siły między ładunkami od ich odległości 1/r n . Gdyby nie dziwactwo Cavendisha, Coulomb mógłby dziś pozostawać postacią mało znaną. Osiągnięcia Coulomba uwiecznia dziś „kulomb” – jednostka ładunku elektrycznego.

Polecenie 1
RKKRVhmvZ03wd
Wskaż najbardziej trafne zaklasyfikowanie prawa Coulomba: Możliwe odpowiedzi: 1. jego sformułowanie było odkryciem;, 2. jego sformułowanie było wynalazkiem;, 3. jego sformułowanie miało w sobie zarówno cechy wynalazku jak i odkrycia;, 4. jego sformułowanie nie miało w sobie praktycznie żadnych cech wynalazku ani odkrycia;
Polecenie 2

Odsłuchaj ponownie w audiobooku fragmenty poświęcone problematyce użycia przez Coulomba wagi skręceń jako przyrządu pomiarowego. Przedstaw w punktach argumenty przemawiające za tezą, że Coulomba można uznać za współwynalazcę wagi skręceń. Skorzystaj przy tym z przygotowanego formularza. Porównaj następnie swą wypowiedź z przedstawioną odpowiedzią wzorcową.

uzupełnij treść