Шарль Огюстен Кулон

Известный английский физик Оливер Хевисайд писал в 1891 году: «Что касается скрытности Кавендиша, то она совершенно непростительна; это грех». Этот «грех» стоил Кавендишу славы первооткрывателя точного закона электростатического взаимодействия, который навсегда вошел в науку под названием закона Кулона.

Ф

ранцузский военный инженер, а с 1781 года член Парижской Академии Наук Шарль Огюстен Кулон исследовал законы кручения шелковых и металлических нитей. Многочисленные и тщательно проведенные эксперименты позволили ему получить правильную формулу, связывающую момент силы М, закручивающий нить, угол закручивания , длину нити l и её диаметр d:

где µ – коэффициент, зависящий от упругих свойств вещества.

В

Рис. 15. Крутильные весы Кулона

дальнейшем Кулон использовал изученные им закономерности кручения нитей для создания своих знаменитых крутильных весов. Создание этих весов рассматривалось Кулоном, прежде всего, как демонстрация возможностей изобретенного им метода измерения малых сил. Основная часть крутильных весов – тонкая серебряная нить длиной 75,8 см помещалась по оси двух стеклянных цилиндров. Верхний конец нити закреплялся в специальном держателе, соединенном с поворотной головкой, на которой крепилась стрелка указателя. На вершине длинного цилиндра устанавливалась трубка, в которой могла свободно вращаться поворотная головка, и на выступающем ребре которой была нанесена градусная шкала. На нижнем конце нити было закреплено легкое стеклянное коромысло, на противоположных концах которого крепились шарик 1 и противовес (рис. 15). Нижняя часть серебряной нити с коромыслом располагалась внутри второго стеклянного цилиндра диаметром 32,5 см, по окружности которого на уровне коромысла также была наклеена шкала с градусными делениями. Через отверстие в верхнем основании этого цилиндра в него вводился стержень, на нижнем конце которого крепился шарик 2, равный по диаметру шарику 1.

Процедура измерения состояла в следующем. Закрепленный шарик 2 и шарик 1 располагались таким образом, что слегка касались друг друга. При этом шарик 1 находился против нулевого деления нижней градусной шкалы, нить подвеса была не закручена, а стрелка указателя устанавливалась напротив нулевого деления верхней градусной шкалы. После этого шарикам 1 и 2 сообщался заряд. Поскольку шарики 1 и 2 были одного диаметра, то Кулон из соображений симметрии полагал, что заряд между ними распределяется поровну (впрочем, в дальнейших рассуждениях Кулон этот факт нигде не использовал). Возникшее вследствие зарядки отталкивание между шариками приводило к закручиванию нити подвеса на некоторый угол , который отсчитывался по нижней шкале. Затем с помощью поворотной головки верхний конец нити закручивался на определенный угол , отсчитываемый по верхней шкале, в сторону, противоположную повороту коромысла. Это приводило к сближению шариков 1 и 2. По нижней шкале отсчитывалось новое угловое положение коромысла . Затем поворотная головка поворачивалась на больший угол и отмечалось еще одно положение коромысла .

Поскольку угловое расстояние между шариками 1 и 2 не превышало 40, то Кулон считал, что линейное расстояние между ними пропорционально угловому: r ~ . С другой стороны, согласно открытому им закону кручения нитей, сила взаимодействия (отталкивания) между шариками при равновесном положении коромысла пропорциональна углу закручивания нити     . При    сила взаимодействия между шариками пропорциональна ₀. Поэтому отношение задает возрастание силы отталкивания при увеличении угла закручивания нити   . Отношение же  ₀ показывает уменьшение линейного расстояния между шариками.

Таблица 1

18 8,5	0 126 567	36 144 575,5	1 4 16	1 4 17,9

В таблице 1 представлены результаты из публикации Кулона. Согласно этим данным, отношения и оказываются практически равными, а это означает, что

Таким образом, F ~ 1/r², и Кулон формулирует «Фундаментальный закон электричества: сила отталкивания двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одной природы (т.е. одного знака) обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков».

Заметим, что в своей первой публикации на данную тему Кулон не дал полного решения проблемы. Как и его предшественники, Пристли и Кавендиш, Кулон поначалу исследовал силу отталкивания и лишь затем перешел к изучению притяжения. Однако исследовать силу притяжения с помощью крутильных весов ему не удалось. Крутильные весы оказались неустойчивы относительно силы притяжения; в ходе опыта не удавалось избежать касания разноименно заряженных шариков, поэтому Кулон изменил методику измерений. Он исследовал влияние изменения расстояния между заряженным шаром и противоположно заряженным маленьким диском (находящимся на одном из концов стеклянного коромысла, подвешенного на шелковой нити, крутильным моментом которой можно было пренебречь) на период крутильных колебаний коромысла. Результаты измерений подтвердили справедливость закона «обратных квадратов» и для случая сил притяжения.

Следует сказать и о том, что Кулон принимал как очевидный факт, что сила электрического взаимодействия пропорциональна произведению «электрических масс» (т. е. зарядов), и не пытался обосновать это утверждение с помощью опыта. Впрочем, надо заметить, что строгое доказательство пропорциональности электрической силы произведению взаимодействующих зарядов было невозможным, поскольку закон Кулона

cам стал определяющим соотношением для введения единицы измерения заряда. Однако любая другая форма определяющего соотношения сделала бы очень сложным описание электрических явлений. Поэтому трудно не согласиться со словами английского историка науки Дж. Кинга о том, что «законы природы типа законов Кулона и Ампера не столько математические соотношения, которые эти ученые доказали посредством экспериментальной проверки, сколько теоремы существования, которые включают определения величины рассматриваемого физического понятия».