Опыт кулона кратко и понятно
Обновлено: 07.07.2024
Опыт Кулона, который помог Шарлю Огюстену де Кулону сформировать свой знаменитый закон, был поставлен в 1785 году. С тех пор многие законы электроники опираются на принципы закона Кулона.
В этой публикации я подробно расскажу об опыте, который поздним вечером 12 Июня 1785 года провел Ш.О. Кулон.
Но для начала приведем трактовку закона.
Это моя трактовка, призванная в общих чертах понять принцип закона Кулона.
Если среди читателей есть физики или искушенные в электрике и электронике люди, то специально для них приведу точную формулировку:
Крутильные весы состояли из следующих элементов:
1. Большая стеклянная банка, служащая оболочкой.
2. Крученая нить, проходившая через отверстие на верхушке банки.
3. На конце нити располагалась горизонтальная уравновешенная деревянная палочка, привязанная к нитке.
4. На одном конце этой палочки был легкий деревянный шарик, покрытый слоем золота.
5. На другом конце палочки был закреплен бумажный диск, пропитанный скипидаром. Диск по весу был равен шару и служил противовесом.
6. Во второе отверстие банки был просунут неподвижный стержень с еще одним шариком.
Когда Кулон заряжал оба шарика (подвижный и неподвижный) одинаковыми электрическими зарядами, то они начинали отталкиваться друг от друга, закручивая нить. Зная упругость нити и замеряя угол отклонения, Кулон определял силу взаимодействия зарядов.
Возможно, сейчас этот опыт покажется простым и легким, но помните, что дело было в 1771 году.
В этом году в России бушевала чума, унесшая тысячи жизней, а тут ученые пытались объяснить природу электричества. Это я к тому, что без тяги людей к знаниям, ходить бы нам еще в лаптях и зажигать вечерами свечи.
К слову сказать, взаимодействия электрических зарядов до Кулона наблюдали многие ученые. Среди них я бы особо выделил англичанина Кавендиша. В 1771 году, то есть примерно за 11 лет до открытия Кулона, им был открыт закон взаимодействия зарядов. Лишь через 104 года его рукопись была напечатана.
Если Вам понравилась публикация, подписывайтесь на канал, за Ваши лайки чаще показывают Наши публикации.
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|=(ke*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.
Данный урок расскажет об экспериментально полученном законе электростатического взаимодействия заряженных тел, об отличительных особенностях сил при таком взаимодействии, от чего зависят величины этих сил, а также о возникающей в связи с этим новой характеристике любой среды – диэлектрической проницаемости. В итоге материал данного урока окажется знакомством с новым типом фундаментальных взаимодействий тел в природе.
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)/r 2 .
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)/r 2 .
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.
Читайте также: