Дослід Кулона
Необхідність проведення експериментів Кулона була викликана тим, що в середині XVIII ст. накопичилося багато якісних даних про електричні явища. Виникла потреба дати їм кількісну інтерпретацію. Оскільки сили електричного взаємодії були відносно невеликі, виникла серйозна проблема в створенні методу, який дозволив би зробити виміри і отримати необхідний кількісний матеріал.
Французький інженер і вчений Шарль Кулон запропонував метод вимірювання малих сил, який грунтувався на наступному експериментальному факті, виявленому самим ученим: сила, що виникає при пружною деформації металевого дроту, прямо пропорційна куту закручування, четвертого ступеня діаметра дроту і обернено пропорційна її довжині:
Де d – діаметр, l – довжина дроту, φ – кут закручування. У наведеному математичному вираженні коефіцієнт пропорційності k знаходився дослідним шляхом і залежав від природи матеріалу, з якого виготовлялася дріт.
Ця закономірність була використана в так званих крутильних вагах. Створені ваги дозволили виміряти мізерно малі сили близько 5 – 10-8 Н.
Крутильні ваги (рис. 3, а) складалися з легкого скляного коромисла 9 довжиною 10,83 см, підвішеного на срібній дроті 5 довжиною близько 75 см, діаметром 0,22 см. На одному кінці коромисла розташовувався позолочений бузиновий кулька 8, а на іншому – противагу 6 – паперовий кружок, змочений в скипидарі. Верхній кінець дроту прикріплювався до голівці приладу 1. Тут же був покажчик 2, за допомогою якого відраховується кут закручування нитки по круговій шкалі 3. Шкала була проградуірована. Вся ця система розміщувалася в скляних циліндрах 4 і 11. У верхній кришці нижнього циліндра був отвір, в яке вставлялася скляна паличка з кулькою 7 на кінці. У дослідах застосовувалися кульки з діаметрами в межах 0,45 – 0,68 см.
Перед початком експерименту покажчик головки встановлювався на нульовій позначці. Потім кульку 7 заряджався від попередньо наелектризованого кульки 12. При зіткненні кульки 7 з рухомим кулькою 8 відбувався перерозподіл заряду. Однак через те, що діаметри кульок були однаковими, однаковими були і заряди на кульках 7 і 8.
Внаслідок електростатичного відштовхування кульок (рис. 3, б) коромисло 9 поверталося на деякий кут γ (за шкалою 10). За допомогою головки 1 це коромисло поверталося в початкове положення. За шкалою 3 покажчик 2 дозволяв визначати кут α закручування нитки. Загальний кут закручування нитки φ = γ + α. Сила ж взаємодії кульок була пропорційна φ, тобто по куту закручування можна судити про величину цієї сили.
При незмінній відстані між кульками (воно фіксувалося за шкалою 10 в градусній мірі) досліджувалася залежність сили електричного взаємодії точкових тіл від величини заряду на них.
Для визначення залежності сили від заряду кульок Кулон знайшов простий і дотепний спосіб зміни заряду одного з кульок. Для цього він з’єднував заряджений кульку (кульки 7 або 8) з таким же за розмірами незарядженим (кулька 12 на ізолюючої ручці). Заряд при цьому розподілявся порівну між кульками, що і зменшувало досліджуваний заряд в 2, 4 і т. Д. Раз. Нове значення сили при новому значенні заряду знову визначалося експериментально. При цьому з’ясувалося, що сила прямо пропорційна добутку зарядів кульок:
Залежність сили електричного взаємодії від відстані була виявлена в такий спосіб. Після повідомлення кулькам заряду (він був у них однаковий) коромисло відхилялося на деякий кут γ. Потім поворотом головки 1 зменшувався цей кут до γ1. Загальний кут закручування φ1 = α1 + (γ – γ1) (α1 – кут повороту головки). При зменшенні кутової відстані кульок до γ2 загальний кут закручування φ2 = α2 + (γ – γ2). Було відмічено, що, якщо γ1 = 2γ2, ТО φ2 = 4φ1, т. Е. При зменшенні відстані в 2 рази сила взаємодії зростала в 4 рази. У стільки ж разів збільшився момент сили, так як при деформації кручення момент сили прямо пропорційний куту закручування, а значить, і сила (плече сили залишалося незмінним). Звідси випливає висновок: сила взаємодії двох заряджених кульок обернено пропорційна квадрату відстані між ними:
(2 votes, average: 3.50 out of 5)