Кулон в физике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. В таком случае ни форма, ни размеры заряженных тел не влияют практически на взаимодействие между ними.

Закон Кулона экспериментально впервые был доказан приблизительно в 1773 г. Кавендишем, который использовал для этого сферический конденсатор. Он показал, что внутри заряженной сферы электрическое поле отсутствует. Это означало, что сила электростатического взаимодействия меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, однако результаты Кавендиша не были опубликованы.

В 1785 г. закон был установлен Ш. О. Кулоном с помощью специальных крутильных весов. Опыты Кулона позволили установить закон, поразительно напоминающий закон всемирного тяготения.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В аналитическом виде закон Кулона имеет вид:

где |q₁| и |q₂| — модули зарядов; r — расстояние между ними; k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.

В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.

Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока — 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.

За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за 1 с.

Заряд в 1 Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по 1 Кл каждый, расположенных на расстоянии 1 км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой 1 т. Сообщить такой заряд небольшому телу невозможно (отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться в теле). А вот в проводнике (который в целом электронейтрален) привести в движение такой заряд просто (ток в 1 А — вполне обычный ток, протекающий по проводам в наших квартирах).

Коэффициент k в законе Кулона при его записи в СИ выражается в Н · м 2 /Кл 2 . Его численное значение, определенное экспериментально по силе взаимодействия двух известных зарядов, находящихся на заданном расстоянии, составляет:

k = 9 · 10 9 Н·м 2 /Кл 2 .

Часто его записывают в виде , где ɛ₀ =8,85 · 10 - 12 Kл 2 /H·м 2 — электрическая постоянная. В среде с диэлектрической проницаемостью ɛ закон Кулона имеет вид:

Взаимодействия электрических зарядов исследовали ещё до Шарля Кулона. В частности, английский физик Кавендиш в своих исследованиях пришёл к выводу, что неподвижные заряды при взаимодействии подчиняются определённому закону. Однако он не обнародовал своих выводов. Повторно закон Кулона был открыт французским физиком, именем которого был назван этот фундаментальный закон.

Рисунок 1. Закон Кулона

История открытия

Эксперименты с заряженными частицами проводили много физиков:

Г. В. Рихман;
профессор физики Ф. Эпинус;
Д. Бернулли;
Пристли;
Джон Робисон и многие другие.

Все эти учёные очень близко подошли к открытию закона, но никому из них не удалось математически обосновать свои догадки. Несомненно, они наблюдали взаимодействие заряженных шариков, но установить закономерность в этом процессе было непросто.

Кулон проводил тщательные измерения сил взаимодействия. Для этого он даже сконструировал уникальный прибор – крутильные весы (см. Рис. 2).

Рис. 2. Крутильные весы

У придуманных Кулоном весов была чрезвычайно высокая чувствительность. Прибор реагировал на силы порядка 10 -9 Н. Коромысло весов, под действием этой крошечной силы, поворачивалось на 1 º . Экспериментатор мог измерять угол поворота, а значит и приложенную силу, пользуясь точной шкалой.

Благодаря гениальной догадке учёного, идея которой состояла в том, что при соприкосновении заряженного и незаряженного шариков, электрический заряд делился между ними поровну. На это сразу реагировали крутильные весы, коромысло которых поворачивалось на определённый угол. Заземляя неподвижный шарик, Кулон мог нейтрализовать на нём полученный заряд.

Таким образом, учёный смог уменьшать первоначальный заряд подвижного шарика кратное число раз. Измеряя угол отклонения после каждого деления заряда, Кулон увидел закономерность в действии отталкивающей силы, что помогло ему сформулировать свой знаменитый закон.

Формулировка

Кулон исследовал взаимодействие между шариками, ничтожно малых размеров, по сравнению с расстояниями между ними. В физике такие заряженные тела называются точечными. Другими словами, под определение точечных зарядов подпадают такие заряженные тела, если их размерами, в условиях конкретного эксперимента, можно пренебречь.

Для точечных зарядов справедливо утверждение: Силы взаимодействия между ними направлены вдоль линии, проходящей через центры заряженных тел. Абсолютная величина каждой силы прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (см. рис. 3). Данную зависимость можно выразить формулой: |F₁|=|F₂|=(k_e*q₁*q₂) / r 2

Рис. 3. Взаимодействие точечных зарядов

Остаётся добавить, что векторы сил направлены друг к другу для разноименных зарядов, и противоположно, в случае с одноимёнными зарядами. То есть между разноимёнными зарядами действует электрическое притяжение, а между одноимёнными – отталкивание.

Таким образом, закон Кулона описывает взаимодействие между двумя электрическими зарядами, которое лежит в основе всех электромагнитных взаимодействий.

Для того чтобы действовал сформулированный выше закон, необходимо выполнение следующий условий:

соблюдение точечности зарядов;
неподвижность заряженных тел;
закон выражает зависимости между зарядами в вакууме.

Границы применения

Описанная выше закономерность при определённых условиях применима для описания процессов квантовой механики. Правда, закон Кулона формулируется без понятия силы. Вместо силы используется понятие потенциальной энергии кулоновского взаимодействия. Закономерность получена путём обобщения экспериментальных данных.

Следует отметить, что на сверхмалых расстояниях (при взаимодействиях элементарных частиц) порядка 10 — 18 м проявляются электрослабые эффекты. В этих случаях закон Кулона, строго говоря, уже не соблюдается. Формулу можно применять с учётом поправок.

Нарушение закона Кулона наблюдается и в сильных электромагнитных полях (порядка 10 18 В/м), например поблизости магнитаров (тип электронных звёзд). В такой среде кулоновский потенциал уменьшается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Кулоновские силы подпадают под действие третьего закона Ньютона: F₁ = – F₂. Они используются для описания законов всемирного тяготения. В этом случае формула приобретает вид: F = ( m₁* m₂ ) / r 2 , где m₁ и m₂ – массы взаимодействующих тел, а r – расстояние между ними.

Закон Кулона стал первым открытым количественным фундаментальным законом, обоснованным математически. Его значение в исследованиях электромагнитных явлений трудно переоценить. С момента открытия и обнародования закона Кулона началась эра изучения электромагнетизма, имеющего огромное значение в современной жизни.

Коэффициент k

Формула содержит коэффициент пропорциональности k, который для согласования соразмерностей в международной системе СИ. В этой системе единицей измерения заряда принято называть кулоном (Кл) – заряд, проходящий за 1 секунду сквозь проводник, где силы тока составляет 1 А.

Коэффициент k в СИ выражается следующим образом: k = 1/4πε₀, где ε₀ – электрическая постоянная: ε₀ = 8,85 ∙10 -12 Кл 2 /Н∙м 2 . Выполнив несложные вычисления, мы находим: k = 9×10 9 H*м 2 / Кл 2 . В метрической системе СГС k =1.

На основании экспериментов было установлено, что кулоновские силы, как и принцип суперпозиции электрических полей, в законах электростатики описывают уравнения Максвелла.

Если между собой взаимодействуют несколько заряженных тел, то в замкнутой системе результирующая сила этого взаимодействия равняется векторной сумме всех заряженных тел. В такой системе электрические заряды не исчезают – они передаются от тела к телу.

Закон Кулона в диэлектриках

Выше было упомянуто, что формула, определяющая зависимость силы от величины точечных зарядов и расстояния между ними, справедлива для вакуума. В среде сила взаимодействия уменьшается благодаря явлению поляризации. В однородной изотопной среде уменьшение силы пропорционально определённой величине, характерной для данной среды. Эту величину называют диэлектрической постоянной. Другое название – диэлектрическая проницаемость. Обозначают её символом ε. В этом случае k = 1/4πεε₀.

Диэлектрическая постоянная воздуха очень близка к 1. Поэтому закон Кулона в воздушном пространстве проявляется так же как в вакууме.

Интересен тот факт, что диэлектрики могут накапливать электрические заряды, которые образуют электрическое поле. Проводники лишены такого свойства, так как заряды, попадающие на проводник, практически сразу нейтрализуются. Для поддержания электрического поля в проводнике необходимо непрерывно подавать на него заряженные частицы, образуя замкнутую цепь.

Применение на практике

Вся современная электротехника построена на принципах взаимодействия кулоновских сил. Благодаря открытию Клоном этого фундаментального закона развилась целая наука, изучающая электромагнитные взаимодействия. Понятие термина электрического поля также базируется на знаниях кулоновских сил. Доказано, что электрическое поле неразрывно связано с зарядами элементарных частиц.

Грозовые облака не что иное как скопление электрических зарядов. Они притягивают к себе индуцированные заряды земли, в результате чего появляется молния. Это открытие позволило создавать эффективные молниеотводы для защиты зданий и электротехнических сооружений.

На базе электростатики появилось много изобретений:

конденсатор;
различные диэлектрики;
антистатические материалы для защиты чувствительных электронных деталей;
защитная одежда для работников электронной промышленности и многое другое.

На законе Кулона базируется работа ускорителей заряженных частиц, в частности, функционирование Большого адронного коллайдера (см. Рис. 4).

Рис. 4. Большой адронный коллайдер

Ускорение заряженных частиц до околосветовых скоростей происходит под действием электромагнитного поля, создаваемого катушками, расположенными вдоль трассы. От столкновения распадаются элементарные частицы, следы которых фиксируются электронными приборами. На основании этих фотографий, применяя закон Кулона, учёные делают выводы о строении элементарных кирпичиков материи.

Значение открытия фундаментального закона Кулона просто невозможно переоценить, ведь на этой базе строится вся электроника, поэтому знать и тем более понимать его просто нужно любому современному человеку. В этой статье я постараюсь максимально просто объяснить саму суть закона, так что усаживайтесь поудобней и начнем.

Историческая справка

Справедливости ради хочу сказать, что взаимодействия электрических зарядов наблюдали многие ученые и экспериментаторы еще до Ш. Кулона. Так, например, англичанин Кавендиш так же после череды экспериментов пришел к выводу, что неподвижные заряды взаимодействуют согласно определенному закону, но свои выводы он так и не обнародовал.

Кроме этого исследованиями в этой области занимались :

На самом деле этот список можно продолжать долго и все эти ученые были близки к открытию, но не сумели математически выразить свои догадки.

Кулон так же проводил скрупулезные измерения. И для своих опытов изобрел специальные крутильные весы.

Созданная конструкция обладала высокой чувствительностью и реагировала на силы порядка 10 -9 Ньютон. При приложении столь малой силы коромысло поворачивалось ровно на 1 градус. В результате этого, вычисляя угол поворота, можно было измерить приложенную силу.

Так же Кулон выдвинул идею, которая заключалась в том, что во время соприкосновения заряженного шара с незаряженным шаром заряд распределялся между ними поровну. На это действие реагировал прибор, поворачивая коромысло на некий угол.

При этом заземляя жестко зафиксированный шар, Кулон нивелировал в нем заряд. Повторяя процесс перераспределения и снятия заряда, экспериментатор уменьшал изначальный заряд незафиксированного шара кратное число раз.

Вычисляя угол отклонения после каждого такого распределения, ученый обнаружил закономерность в действии отталкивающей силы. Это и дало толчок в формулировании знаменитого закона.

Формулируем закон

Теперь давайте сформулируем закон Кулона:

Кулон осуществлял эксперименты со сферами ничтожно малых размеров в сравнении с расстояниями между ними. Такие тела в физике еще именуют точечными. И в результате было сформировано следующее определение:

В вакууме сила взаимодействия двух заряженных тел прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Как по мне не совсем понятно, хоть и кратко. Более понятно можно сформулировать так:

Чем большим зарядом обладают тела и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше сила. А если расстояние между этими телами увеличить, то сила станет меньше.

Математически формулировка выражена так :

А векторы силы направлены друг к другу, если заряды разноименные и друг от друга, если заряды одноименные.

Для работы закона нужно соблюдение ряда очень важных условий:

1. Должно быть соблюдено условие точечности зарядов.

2. Заряженные тела должны быть неподвижны.

3. Закон действителен для вакуума и воздушной среды.

Коэффициент пропорциональности

Запомните! При взаимодействии нескольких тел, обладающих определенным зарядом в замкнутой системе, суммарная сила взаимодействия будет равна векторной сумме всех заряженных тел. В данной системе заряды никуда не деваются, а постоянно передаются от одного заряженного объекта к другому.

Закон Кулона и диэлектрики

Эта формула справедлива в том случае, если заряды расположены в вакууме. В любой другой среде сила взаимодействия заряженных тел неизбежно уменьшается, так как проявляется эффект поляризации. Причем для каждой среды изменение происходит пропорционально определенной величине, которая получила название – диэлектрическая постоянная (проницаемость). Учитывая данный параметр, коэффициент проницаемости принимает вид

Ограничение в применении

Хочу особо подчеркнуть, что при особо малых расстояниях (когда взаимодействуют элементарные частицы) порядка 10 -18 метров, строго говоря, закон Кулона не работает.

Кроме этого данный закон имеет явные нарушения в сильных электромагнитных полях (10-18 В/м). В представленной среде кулоновский потенциал снижается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Закон Кулона - это первый количественный фундаментальный закон, обоснованный математически, и его значение очень трудно переоценить. Именно с открытия закона можно сказать, что стартовала эпоха изучения электромагнетизма.

Понравилась статья, тогда не забудьте подписаться и поставить палец вверх. Тогда вы точно не пропустите новых еще более интересных и познавательных выпусков! Спасибо за внимание!

Шарль Кулон(1736–1806) был французским ученым, считавшимся крупнейшим физиком в своей родной стране. Благодаря его исследованиям и открытиям в области электромагнетизма, единица электрического заряда получила название кулон (С).

Его научная карьера охватывала несколько областей, в первую очередь магнетизм, электричество и трение. Одним из его основных вкладов была разработка торсионных весов, с помощью которых он смог измерить как магнитные, так и электрические силы притяжения.

Измеряя эти силы, он смог сформулировать законы Кулона, которые устанавливают, что сила между двумя электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния, разделяющего их.

Его имя появляется на одном из 72 ученых, которые начертаны на металлических пластинах на первом этаже Эйфелевой башни, как дань уважения тому, что он был одним из самых важных французов.

биография

Шарль Кулон был сыном Генри Кулона и Катерины Байе. Он родился в небольшом городке Ангулем во Франции 14 июня 1736 года.

Хотя он родился в престижной и экономически благополучной семье, они потеряли популярность в результате ряда неблагоприятных событий, в которых преобладали ростовщичество и неэффективное управление их капиталом, что привело к разлучению их родителей.

Его первые учебы прошли в родном городе. Затем он переехал в Париж, где молодой человек продолжил свое академическое образование в известном колледже Мазарини, где получил разностороннее образование по основным предметам: математике, гуманитарным наукам, астрономии, ботанике и химии.

Он получил профессиональное образование в École du Génie en Mézieres, чтобы в 1761 году получить звание военного инженера и звание первого лейтенанта. В течение своей военной карьеры он несколько раз служил Франции; один из них находился в Вест-Индии, где он играл важную роль в надзоре за строительством фортов на Мартинике.

Военный и следователь

На этом острове, когда он был возвращен французами, Кулону было поручено строительство форта Бурбон с намерением сделать этот остров намного безопаснее и защитить его от любого вторжения. Эта задача занимала его до 1772 года, примерно девять лет.

После этого он посвятил себя исследовательской работе по статике в архитектуре, чтобы представить ее Академии наук в Париже, таким образом, он стал корреспондентом этого важного учреждения в 1974 году.

В то время он получил первую премию за свои постулаты о магнитных компасах и за развитие передовых исследований трения.

На протяжении своей профессиональной карьеры Кулон умел сочетать военную работу с научной. Таким образом, в Рошфоре, где он находился между 1779 и 1780 годами, он использовал верфи как свою собственную лабораторию для проверки механики, сопротивления материалов и трения.

В 1781 году он получил награду Парижской академии наук за свою работу над законами трения и жесткости струн - революционное исследование, которое не оспаривалось более века.

На службе революции

Затем он вернулся в Париж по приказу Наполеона Бонапарта, отвечая за общественное образование. Он проработал в Парижской академии наук около 25 лет и был назначен президентом того же учреждения в 1801 году, когда оно стало Институтом Франции.

Он также внес вклад в новое французское правительство в концептуализации, упорядочивании и применении десятичной метрической системы мер и весов, которая обеспечит организационный стандарт для всех исследований и приложений в стране.

Его работа и научные знания привели его к участию в мониторинге новой системы связи, которая послужила основой для будущих разработок в этой области.

В последние годы

После многих лет отношений, наконец, в 1802 году он женился на Луизе Франсуаз Лепруст, от которой у него уже было двое детей. Первый родился в 1790 году, а второй - в 1797 году.

Шарль Кулон умер в Париже в возрасте 70 лет, 23 августа 1806 года, всего через пять лет после того, как стал президентом Института Франции.

Взносы

Кулон был одним из ведущих физиков во всей Франции, благодаря его вкладу в области электричества и магнитных сил, сил трения, упругости металлов и шелка.

Одна из его первых работ, сделанная в 1772 году, позволила изучить и узнать давление, которому подпорные стены подвергаются в результате объема земли, которую они поддерживают. Он также определил, как своды должны быть сбалансированы на всех строительных работах, чтобы избежать повреждения конструкций.

Эти анализы проводились во время строительства форта на Мартинике, благодаря чему он определил первое приближение касательного напряжения, а также законы трения. Это также стало важной вехой в разработке кулоновского метода оценки прочности материалов.

Он основывал свои эксперименты на силах, приложенных к материалам, и их сопротивлении деформации, что позволило нам узнать их поведение. Таким образом, он стал колыбелью исследований в области современного строительства.

Он также внес вклад в области эргономики, а также в области механики, анализируя трение машин, благодаря чему он снова получил признание Парижской академии наук в 1781 году за формулировку законов трение.

Кулоновский закон

Хотя за всю свою плодотворную научную карьеру он написал более 25 статей в качестве корреспондента Академии, обращаясь к различным областям физики, его наибольшим вкладом в науку является закон Кулона, сформулированный им в 1776 году.

Это означает, что, поскольку электрические заряды имеют большую величину, они будут иметь большую силу притяжения или отталкивания, но расстояние, которое их разделяет, будет иметь противоположный эффект в пропорции его квадрата; то есть чем больше расстояние, тем меньше сила.

Сосредоточившись на анализе сил притяжения или отталкивания электрических зарядов, он разработал торсионные весы. Этим он показал, что закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном, полностью выполняется.

В этой области экспериментов он обнаружил, что электрическое притяжение и отталкивание проверяются без вмешательства, посредством дистанционного воздействия. В этом контексте Кулон был защитником теории электрических и магнитных жидкостей.

Благодаря всем этим исследованиям, и в частности математическому определению закона Кулона, область электричества и магнетизма стала точной наукой, которая заняла почетное место в науке о человеке.

Пьесы

Кулон был плодовитым автором, целью которого было задокументировать и систематизировать все свои постулаты, а также иметь возможность представить их в память об Академии наук и заслужить признание.

Его первое издание вышло в 1773 году под названием Sur объединяет приложение с параметрами, максимальными и минимальными требованиями к статике, относящимися к архитектуре. В этой работе он показал свои исследования сопротивления балок и материалов.

Затем, в 1777 году, он представил в Академию еще одну статью, в которой он собрал свое изобретение торсионных весов в дополнение к своим исследованиям компаса и земного магнетизма.

Он написал более семи трактатов по электричеству и магнетизму, пока в 1785 году не сформулировал и не представил закон, носящий его имя.

Простая теория машин

Другие его великие работы были Теория простых машин, который в 1781 году дал ему главный приз Академии наук.

В тексте он говорит об этом типе машин как об устройствах, в которых величина или направление силы изменяется и выполняется закон сохранения энергии, поскольку ничего не разрушается, а только трансформируется. В основном простые машины представляют собой наклонные плоскости, рычаги и шкивы.

Об электричестве и магнетизме

Об электричестве и магнетизме это один из его самых запоминающихся постов. В нем он обобщает большую часть своей работы в этой важной области физики, за которую он получил большую часть своего признания, такой как, например, то, что единица электрического заряда называется кулоном.

Кулон или кулон - это мера, используемая в международной метрической системе для определения количества электричества или заряда, переносимого за одну секунду током в один ампер.

У него также есть научно определенная взаимосвязь между количеством зарядов элемента, которые могут быть положительными или отрицательными.

Кулон представил 25 мемуаров, в которых собраны его исследовательские работы, которые он собрал между 1781 и 1806 годами для передачи в Академию.

Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) — выдающийся французский инженер и физик, один из основателей электростатики. Исследовал деформацию кручения нитей, установил ее законы. Изобрел (1784) крутильные весы и открыл (1785) закон, названные его именем. Установил законы сухого трения. Экспериментальные исследования Кулона имели основополагающее значение для формирования учения об электричестве и магнетизме. Член Парижской академии наук.

Шарль Кулон родился 14 июня 1736, Ангулем. Скончался 23 августа 1806, в Париже.

Годы учебы

Отец Шарля, Анри Кулон, правительственный чиновник, вскоре после рождения сына переехал с семьей в Париж, где некоторое время занимал доходную должность по сбору налогов, но, пустившись в спекуляции, разорившие его, вернулся на родину, на юг Франции, в Монпелье. Шарль с матерью остался в Париже.

Военный инженер

Но это приносило лишь моральное удовлетворение, нужно было выбирать дальнейший путь. Посоветовавшись с отцом, Шарль избрал карьеру военного инженера. Научное общество Монпелье снабдило Кулона нужными рекомендациями, и после сдачи экзаменов (достаточно трудных, так что подготовка к ним потребовала девяти месяцев занятий с преподавателем) Шарль Кулон в феврале 1760 г. направился в Мезьер, в Военно-инженерную школу, одно из лучших высших технических учебных заведений того времени.

Первые 10 лет службы

Получив чин лейтенанта, Шарль Кулон был направлен в Брест, один из крупных портов на западном побережье Франции. В Бресте Кулону были поручены картографические работы, связанные с возведением и перестройкой укреплений на побережье. Но эта деятельность была довольно непродолжительной.

Меньше, чем через два года Кулону пришлось экстренно включиться в работы по возведению крепости на острове Мартиника в Вест-Индии для защиты его от англичан. Объявленный конкурс на проект укрепления выиграл опытный военный инженер де Рошмор, но этот проект вызвал большой спор, в который был вовлечен и Шарль Кулон . Хотя проект в целом и удалось отстоять, но в него пришлось внести значительные изменения; в частности, ассигнования были уменьшены более чем в два раза. Кулон, оставшийся фактическим руководителем строительства, под началом которого работало почти полторы тысячи человек, оказался перед лицом множества весьма сложных, и далеко не только технических задач. Условия работы были трудными, климат очень тяжелым, людей не хватало, да и те, кто оставался, тяжело болели. Сам Кулон за восемь лет работы на острове тяжело болел восемь раз и впоследствии вернулся во Францию с сильно подорванным здоровьем. Приобретенный им большой опыт достался дорогой ценой собственного здоровья.

После возвращения на родину

Вернувшись во Францию, Шарль Кулон в 1772 г. получает назначение в Бушен. Условия работы здесь были несравненно более легкие, и появилась возможность вновь активно продолжить научную деятельность. Задачи, которые он решал, относятся к той области, которую назвали бы теперь строительной механикой и сопротивлением материалов. Уже в то время эта область привлекала большое внимание многих физиков и математиков. После возвращения на родину, Кулон, проведя еще довольно большое число новых исследований, послал свой мемуар в Парижскую академию наук, а затем зачитал его на двух заседаниях в марте и апреле 1773. Об этом труде весьма похвально отозвались два академика, которым было поручено его рецензирование (одного из них, Борда, Шарль Кулон впоследствии спасал в период якобинской диктатуры, пряча его в своем поместье). Для автора это было большой поддержкой.

О том, насколько эта задача была непроста, какую высокую точность требовалось обеспечивать, можно судить хотя бы по следующему факту: подвешенная на тонкой шелковой нити стрелка так чувствительно реагировала на все воздействия, что приходилось защищать ее не только от слабейших воздушных потоков, но даже и от приближения глаза наблюдателя (на стрелке и на теле человека всегда могут оказаться электрические заряды, и их взаимодействие может сказаться на силах).

Чтобы исключить это, Кулон решил заменить шелковые нити металлической проводящей электричество проволокой. Это был шаг, сыгравший в дальнейшем очень большую роль, когда Кулон изобрел и начал использовать крутильные весы. Но пока до этих работ было еще далеко.

В Париже

В столице на Шарля Кулона почти сразу же обрушилось множество дел, в том числе, и административных. Некоторые из них имели и политическую окраску, и одно из них даже закончилось для Кулона недельным заключением в тюрьму аббатства Сен-Жермен де Пре. Заседания в многочисленных комиссиях, в частности, в Комиссии по каналам в Бретани, оставляли мало времени для науки, и, тем не менее, Кулон представил в 1784 в академию свою работу, которую можно считать весьма важной: мемуар о кручении тонких металлических нитей, а 1785-89 гг. — серию мемуаров по электричеству и магнетизму.

Закон Кулона известен теперь, наверное, любому школьнику. Но вряд ли многим известно, какое искусство и наблюдательность пришлось проявить исследователю.

Современную классическую (т.е. неквантовую) теорию электрических и магнитных явлений часто называют электродинамикой Фарадея и Максвелла. Конечно, в написании этой важнейшей главы физики почетное место занимают и многие другие замечательные ученые, и в числе первых здесь по праву должно быть упомянуто имя Шарля Кулона.

Еще о Шарле Кулоне:

Шарль Огюстен Кулон родился в Ангулеме, который находится на юго-западе Франции. Его отец, Анри Кулон, в свое время пытавшийся сделать военную карьеру, к моменту рождения сына стал правительственным чиновником. Ангулем не был постоянным местом жительства семьи Кулонов, через некоторое время после рождения Шарля она переехала в Париж.

Мать Шарля, урожденная Катрин Баже, происходившая из знатного рода де Сенак, хотела, чтобы ее сын стал врачом. Исходя из итого замысла, она выбрала учебное заведение, которое поначалу посещал Шарль Огюстен — Коллеж четырех наций, известный также как Коллеж Мазарини.

Дальнейшую судьбу Кулона определили события, которые произошли в жизни его семьи. Анри Кулон, не обладавший, видимо, серьезными способностями в финансовой области, разорился, пустившись в спекуляции, вследствие чего был вынужден уехать из Парижа на родину, в Монпелье, на юг Франции. Там проживало много влиятельных родственники, которые могли помочь неудачливому финансисту. Его супруга не желала последовать за мужем и осталась в Париже вместе с Шарлем и с младшими сестрами. Однако юный Кулон недолго прожил с матерью.

Его интерес к математике настолько возрос, что он объявил о решении стать ученым. Конфликт между матерью и сыном привел к тому, что Шарль Кулон покинул столицу и переехал к отцу в Монпелье.

Двоюродный брат отца Луи, занимавший видное положение в Монпелье, знал многих членов Королевского научного общества города. Вскоре обществу он представил своего племянника Шарля.

В феврале 1760 года Шарль поступил в Мезьерскую школу военных инженеров. На его счастье, в школе работал преподаватель математики аббат Шарль Боссю, ставший впоследствии известным ученым. Сблизившись с Боссю во время учебы в Мезьере на почве интереса к математике, Кулон в течение многих лет поддерживал с ним дружеские отношения

Еще одним важным источником знаний, пригодившихся в дальнейшем Шарлю Кулону в научной работе, были лекции по экспериментальной физике, которые летом 1760 года начал читать в школе известный французский естествоиспытатель аббат Нолле.

В ноябре 1761 года Шарль окончил Школу и получил назначение — в крупный порт на западном побережье Франции — Брест. Затем он попал на Мартинику. За восемь лет, проведенных там, он несколько раз серьезно болел, но каждый раз возвращался к исполнению своих служебных обязанностей. Болезни эти не прошли бесследно, после возвращения во Францию Кулон уже не мог чувствовать себя совершенно здоровым человеком.

Несмотря на все эти трудности, Кулон очень хорошо справлялся со своими обязанностями. Его успехи в деле строительства форта на Монтгарнье были отмечены повышением в чине - в марте 1770 года он получил чин капитана — по тем временам это можно было рассматривать как очень быстрое продвижение по службе. Вскоре Кулон вновь серьезно заболел и, наконец, подал рапорт с прошением о переводе во Францию.

По традиции того времени весной 1773 года Кулон представил свой мемуар в Парижскую академию наук. Он зачитал мемуар на двух заседаниях Академии в марте и апреле 1773 года. Работа была воспринята с одобрением. Академик Боссю, в частности, писал:

В 1774 году Кулона переводят в крупный порт Шербур. Кулон был рад этому назначению — он считал, что именно в портовом городе военный инженер может найти наилучшее применение своим знаниям и способностям. В Шербуре, где Шарль Кулон служил до 1777 года, он занимался ремонтом ряда фортификационных сооружений. Эта работа оставляла достаточно свободного времени, и молодой ученый продолжил свои научные исследования. Основной темой, которой интересовался в это время Кулон, была разработка оптимального метода изготовления магнитных стрелок для точных измерений магнитного поля Земли. Эта тема была задана на конкурсе, объявленном Парижской академией наук.

Победителями конкурса 1777 года были объявлены сразу двое — шведский ученый ван Швинден, уже выдвигавший работу на конкурс, и Кулон. Однако для истории науки наибольший интерес представляет не глава мемуара Кулона, посвященная магнитным стрелкам, а следующая глава, где анализируются механические свойства нитей, на которых подвешивают стрелки. Ученый провел цикл экспериментов и установил общий порядок зависимости момента силы деформации кручения от угла закручивания нити и от ее параметров: длины и диаметра.

Картина деформаций, нарисованная Кулоном, конечно, во многих своих чертах отличается от современной. Однако общая причина возникновения неупругих деформаций — сложная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами — указана Кулоном правильно. Глубину его идей о природе деформаций отмечали многие ученые XIX веке, в том числе такие известные, как Юнг.

Постепенно Шарль Кулон все сильнее втягивался в научную работу, хотя нельзя сказать, что он безразлично относился к своим обязанностям военного инженера. В 1777 году Кулона снова переводят, теперь на восток Франции в небольшой городок Салэн. В начале 1780 года он уже в Лилле, и везде Кулон находит возможность для проведения научных исследований.

В Лилле Шарль Кулон прослужил недолго. Сбылась его мечта — в первой половине сентября 1781 года военный министр объявил о переводе Кулона в Париж, где он должен был заниматься инженерными вопросами, связанными с печально известной крепостью-тюрьмой Бастилией. 30 сентября он был награжден Крестом Святого Людовика. Оправдались и его надежды, связанные с Парижской академией наук. 12 декабря 1781 года Кулон был избран в академию по классу механики. Переезд в столицу означал не только изменение места службы и круга обязанностей. Это событие привело к качественному изменению тематики научных исследований Кулона

Шарль Кулон провел цикл опытов, в которых изучил важнейшие особенности явления трения. Прежде всего, он исследовал зависимость силы трения покоя от продолжительности контакта тел. Им было установлено, что у одноименных тел, например дерево — дерево, продолжительность контакта сказывается незначительно. При контакте разноименных тел коэффициент трения покоя возрастает в течение нескольких суток. Кулон также отметил так называемое явление застоя: сила, необходимая для перевода тел, находящихся в контакте, из состояния покоя в состояние относительного движения, значительно превосходит силу трения скольжения.

Исследование кручения тонких металлических нитей, выполненное Кулоном для конкурса 1777 года, имело важное практическое следствие — создание крутильных весов. Этот прибор мог использоваться для измерения малых сил различной природы, причем он обеспечил чувствительность, беспрецедентную для XVIII века.

Разработав точнейший физический прибор, Кулон стал искать ему достойное применение. Ученый начинает работу над проблемами электричества и магнетизма. Его семь мемуаров представляют реализацию редкой для XVIII века по широте программы исследований.

Пятый и шестой мемуары посвящены количественному анализу распределения заряда между соприкасающимися проводящими телами и определению плотности заряда на различных участках поверхности этих тел.

Применительно к магнетизму Шарль Кулон пытался решить те же задачи, что и для электричества. Описание экспериментов с постоянными магнитами составляет существенную часть второго мемуара и практически весь седьмой мемуар серии. Ученому удалось уловить некоторые своеобразные черты магнетизма. В целом, однако, общность полученных Кулоном результатов в области магнетизма гораздо меньше, чем общность закономерностей, установленных для электричества.

Таким образом, Кулон заложил основы электростатики и магнитостатики. Им были получены экспериментальные результаты, имеющие как фундаментальное, так и прикладное значение. Для истории физики его эксперименты с крутильными весами имели важнейшее значение еще и потому, что они дали в руки физиков метод определения единицы электрического заряда через величины, использовавшиеся в механике: силу и расстояние, что позволило проводить количественные исследования электрических явлений.

Последний мемуар Кулона из серии по электричеству и магнетизму был представлен в Парижскую академию наук в 1789 году. В декабре 1790 года Кулон подал прошение об отставке. В апреле следующего года его прошение было удовлетворено, и он начал получать пенсию в размере 2240 ливров в год, которая, правда, через несколько лет была значительно уменьшена.

К концу 1793 года политическая обстановка в Париже еще более обострилась. Поэтому Шарль Кулон решил перебраться подальше от Парижа. Он вместе с семьей переезжает в свое поместье близ Блуа. Здесь ученый проводит почти полтора года, спасаясь от политических бурь.

Кулон жил в деревне до декабря 1795 года Возвращение в Париж произошло после избрания Кулона постоянным членом отделения экспериментальной физики Института Франции — новой национальной академии.

Шарль Кулон оставил довольно значительное наследство супруге и сыновьям. В знак уважения к памяти о Кулоне оба его сына были определены на государственный счет в привилегированные учебные заведения.

Читайте также: