Бесплатная техническая библиотека

Основной закон электростатики. История и суть научного открытия

Справочник / Важнейшие научные открытия

 Комментарии к статье

Электрические явления постепенно теряли свой первоначальный характер отдельных разрозненных забавных явлений природы и постепенно образовывали некое единство, которое существующие теории пытались охватить несколькими основными принципами. Наступало время перехода от качественных исследований к количественным.

Такое направление исследований отчетливо выражено в работе 1859 года петербургского академика Ф. Эпинуса (1724–1802).

Эпинус в основу своего математического рассмотрения кладет следующие принципы: каждое тело обладает в своем естественном состоянии вполне определенным количеством электричества. Частицы электрического флюида взаимно отталкиваются и притягиваются к обычной материи. Электрические эффекты проявляются, когда количество электрического флюида в теле больше или меньше того, которое должно быть в естественном состоянии.

Эпинус делает предположение: "...определить эти функциональные зависимости я пока что не решаюсь. Впрочем, если бы понадобилось произвести выбор между различными функциями, то я охотно утверждал бы, что эти величины изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний. Это можно предположить с некоторым правдоподобием, ибо в пользу такой зависимости, по-видимому, говорит аналогия с другими явлениями природы". По пути Эпинуса пошел Генри Кавендиш (1731–1810), который в своей статье от 1771 года принимает гипотезы Эпинуса с одним изменением: притяжение двух электрических зарядов считается обратно пропорциональным некоторой степени расстояния, пока не уточняемой.

Кавендиш с помощью математических рассуждений делает вывод: если сила взаимодействия электрических зарядов подчиняется закону обратных квадратов, то "почти весь" электрический заряд сосредоточен на самой поверхности проводника. Тем самым намечается косвенный путь установления закона взаимодействия зарядов.

Главная трудность установления "закона электрической силы" состояла в том, чтобы найти экспериментальную ситуацию, в которой пондеромоторные силы совпадали бы с силами, действующими между элементарными зарядами.

Возможно, правильный подход к этой проблеме был найден ранее всего английским естествоиспытателем Дж. Робайсоном (1739–1805).

Экспериментальный метод, использованный Робайсоном, основывался на идее о том, что взаимодействующие заряды можно считать точечными, когда размеры сфер, на которых они локализованы, много меньше расстояния между центрами сфер.

Установка, с помощью которой англичанин проводил измерения, описана в его фундаментальном труде "Система механической философии". Сочинение издано уже после его смерти, в 1822 году.

Учитывая погрешности измерений, Робайсон сделал вывод:

"Действие между сферами в точности пропорционально обратному квадрату расстояния между их центрами".

Однако основной закон электростатики не носит имя Робайсона. Дело в том, что о полученных результатах ученый сообщил лишь в 1801 году, а подробно описал еще позднее. В то время уже повсеместное распространение получили труды французского ученого Кулона.

Шарль Огюстен Кулон (1736–1806) родился в Ангулеме на юго-западе Франции. После рождения Шарля семья переехала в Париж.

Поначалу мальчик посещал Коллеж четырех наций, известный также как Коллеж Мазарини. Вскоре отец разорился и уехал от семьи в Монпелье, на юг Франции. Конфликт между матерью и сыном привел к тому, что Шарль покинул столицу и переехал к отцу.

В феврале 1757 года на заседании Королевского научного общества Монпелье молодой любитель математики прочел свою первую научную работу "Геометрический очерк среднепропорциональных кривых". В дальнейшем Кулон принимал активное участие в работе общества и представил еще пять мемуаров - два по математике и три по астрономии.

В феврале 1760 года Шарль поступил в Мезьерскую школу военных инженеров. В ноябре следующего 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 считаться совершенно здоровым человеком.

Несмотря на все эти трудности, Кулон очень хорошо справлялся со своими обязанностями. Его успехи в деле строительства форта на Монт-Гарнье 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.

После возвращения на родину Кулон получил назначение в Бушен. Здесь он завершает исследование, начатое еще во время службы в Вест-Индии. Многие идеи, сформулированные им в первой же научной работе, до сих пор рассматриваются специалистами по сопротивлению материалов как основополагающие.

В 1774 году Кулона переводят в крупный порт Шербур, где он и служил до 1777 года. Там Кулон занимался ремонтом ряда фортификационных сооружений. Эта работа оставляла достаточно много времени для досуга, 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.

Малая упругость шелковых нитей и волос по отношению к кручению позволяла пренебречь возникающим моментом упругих сил и считать, что магнитная стрелка в точности следует за вариациями склонения. Это обстоятельство и послужило для Кулона толчком к изучению кручения металлических нитей цилиндрической формы. Результаты его опытов были обобщены в работе "Теоретические и экспериментальные исследования силы кручения и упругости металлических проволок", законченной в 1784 году.

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 обеспечивал чувствительность, беспрецедентную для XVIII века.

Разработав точнейший физический прибор, Кулон стал искать ему достойное применение. Ученый начинает работу над проблемами электричества и магнетизма.

Важнейшим результатом, полученным Кулоном в области электричества, было установление основного закона электростатики - закона взаимодействия неподвижных точечных зарядов. Ученый так формулирует фундаментальный закон электричества:

"Сила отталкивания двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одной природы, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков".

Кулон начал с измерения зависимости силы отталкивания одноименных зарядов от расстояния и провел многочисленные эксперименты. Ученый приводит результаты трех измерений, при которых расстояния между зарядами относились как 36:18:172, а соответствующие силы отталкивания - как 36:144:5751, т. е. силы почти точно обратно пропорциональны квадратам расстояний. В действительности экспериментальные данные несколько отличаются от теоретического закона. Кулон считает основными причинами расхождения, помимо принятых при расчете некоторых упрощений, утечку электричества за время опыта.

Более трудной оказалась задача измерения силы притяжения, поскольку весьма сложно помешать подвижному шарику весов войти в соприкосновение с другим зарядом противоположного знака. И все-таки Кулону довольно часто удавалось добиться равновесия между силой притяжения двух шариков и противодействующей ей силой действия закрученной нити. Полученные экспериментальные данные указывали на то, что сила притяжения также подчиняется закону обратных квадратов.

Но и этими результатами Кулон не удовлетворился. "Для подтверждения этого закона, который, как он предчувствовал, сыграет фундаментальную роль в учении об электричестве, - пишет М. Льоцци, - Кулон прибег к новому оригинальному методу измерения малых сил, примененному уже ранее для измерения магнитной силы стального острия. Этот метод оказался весьма эффективным и известен сейчас как "метод колебаний". Он основан на том факте, что, подобно тому как частота колебаний маятника зависит от величины силы тяжести в данном месте, так же и частота колебаний наэлектризованной стрелки, колеблющейся в горизонтальной плоскости, зависит от интенсивности действующей на нее электрической силы, так что по числу колебаний в секунду можно найти эту силу. Для осуществления этого замысла Кулон заставил колебаться изолирующий стерженек, снабженный на конце маленькой вертикальной заряженной пластинкой и находящийся перед изолированным металлическим шаром, заряженным противоположно заряду пластинки и расположенным так, что один из его горизонтальных диаметров проходит через центр пластинки, когда она находится в равновесии. Этим путем также был полностью подтвержден закон обратных квадратов".

Таким образом, Кулон заложил основы электростатики. 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.

Автор: Самин Д.К.

 Рекомендуем интересные статьи раздела Важнейшие научные открытия:

▪ Закон Архимеда

▪ Неевклидова геометрия

▪ Новая хронология

Смотрите другие статьи раздела Важнейшие научные открытия.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Раннее воздержание от алкоголя перестраивает мозг и иммунитет 10.03.2026

Алкогольная зависимость - хроническое расстройство с компульсивным употреблением спиртного, которое влияет не только на поведение, но и на функционирование мозга и иммунной системы. Недавние исследования показали, что даже на ранних этапах воздержания организм начинает перестраиваться, открывая новые возможности для терапии зависимости. Ученые сосредоточились на пациентах, находящихся в первые недели абстиненции, и зафиксировали значительные изменения в мозговой активности. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии они выявили перестройку сетей нейронных связей, отвечающих за контроль импульсов и принятие решений. Эти изменения могут быть ключевыми для восстановления самоконтроля и снижения риска рецидива. Одновременно с нейронной перестройкой исследователи наблюдали колебания иммунной системы. В крови повышался уровень цитокинов - сигнальных белков, регулирующих воспалительные процессы. Эти данные свидетельствуют о существовании нейроиммунного взаимодействия, при ...>>

Жесткий диск Seagate 44 ТВ 10.03.2026

С ростом объемов данных, обрабатываемых крупными компаниями и дата-центрами, требования к накопителям резко увеличиваются. Seagate анонсировала начало поставок новейших жестких дисков Exos емкостью 44 ТБ, которые обещают сочетание рекордного объема и высокой производительности, благодаря передовой платформе Mozaic 4+ и технологии термомагнитной записи HAMR. Платформа Mozaic 4+ включает десять магнитных пластин, каждая из которых имеет емкость более 4 ТБ. В сумме это позволяет получить общий объем накопителя 44 ТБ - рекордный показатель для современных HDD. В сочетании с вращением шпинделя на скорости 7200 оборотов в минуту это обеспечивает скорость передачи данных порядка 300 МБ/с, что делает диск подходящим для работы с большими массивами информации. Seagate отмечает, что использование Exos повышает общую эффективность систем хранения примерно на 47%. Для корпоративных клиентов это означает сокращение занимаемой площади под кластеры на 9 квадратных метров и снижение годового эне ...>>

Скука - двигатель перемен 09.03.2026

Современная жизнь редко оставляет человеку время на простое ощущение скуки. С развитием цифровых технологий и постоянным доступом к социальным сетям мы стремимся мгновенно развлекать себя, избегая пауз, когда ум может быть свободен от внешних раздражителей. Между тем, новое исследование показывает, что скука выполняет важную роль в психическом здоровье и может стимулировать личностное развитие. Часто скука воспринимается как негативное состояние, которое хочется немедленно устранить. Однако психологи отмечают, что именно моменты, когда человеку становится по-настоящему скучно, могут побудить к поиску нового хобби, пересмотру жизненных приоритетов или появлению свежих идей. Это состояние открывает пространство для саморефлексии и внутреннего роста. Исследователи из Университета Бата и Тринити-колледжа показали, что привычка уходить в социальные сети в моменты скуки мешает человеку достигать "максимальной скуки". В результате стимулируется лишь поверхностное отвлечение, которое не ...>>

Случайная новость из Архива Светящиеся растения заменят фонари и светильники 16.12.2017 На освещение улиц и квартир тратится до 20% производимого электричества. Одним из вариантов снижения этих энергозатрат может стать использование биолюминесцентных растений. Идея звучит фантастично, но разработки в этой области с использованием генной инженерии уже ведутся. Природа одарила многие организмы способностью светиться, но биолюминесцентные растения пока встречаются только в фантастическом фильме "Аватар". Ученые пытаются исправить ситуацию, задействовав генную инженерию. Ранее они уже внедряли гены люминесцентных бактерий и светлячков в растения, например, в табак. Однако было трудно заставить нужные гены работать в нужных органах растений. Чтобы сделать свечение растений контролируемым, сотрудники Массачусетского технологического института отказались от генной инженерии в пользу нанотехнологий. Они создали кремниевые и полимерные наночастицы разного размера, которые перемещались внутри растения по строго определенным направлениям. Внутри каждой частицы содержалось одно из трех веществ: испускающий свет люциферин; люцифераза, которая модифицировала его и заставляла светиться; а также кофермент А, повышавший активность люциферазы. Частицы под давлением в водной среде внедрялись в устьица кресс-салата и других растений. Исследователи могли контролировать, в каких растительных тканях окажутся введенные вещества, поскольку это зависело от размера и поверхностного заряда наночастиц. Получившийся в результате светящийся кресс-салат оказался в 100 000 раз ярче, чем генно-модифицированный табак и наполовину таким же ярким, как светодиод мощностью 1 мкВт. Свечение регулируется: его можно отключить, добавив соединение, блокирующее действие люциферазы. Пока технологии хватает на 4 часа, а количество света составляет лишь одну тысячную от необходимого для чтения, но исследователи полагают, что у их идеи значительные перспективы. Возможно, в будущем им удастся создать растения, которые смогут светиться всю жизнь. В таком случае деревья на городских улицах можно будет превратить в фонари, а домашние растения в горшках - в ночники.

Другие интересные новости:

▪ Мозг в отпуске

▪ Оригинальные новинки в канун Нового года

▪ Айсберги удобряют океан

▪ Карусель с воздушными змеями

▪ 50-мегапиксельный фотосенсор Samsung ISOCELL GN1

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Инструкции по эксплуатации. Подборка статей

▪ статья Джеральд Даррелл. Знаменитые афоризмы

▪ статья Что такое дефолт? Подробный ответ

▪ статья Подготовка лесосек в рубку. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Простой электронный переключатель. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Транзисторы полевые КП931 - КП948. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026