|
Реферат
О роли Г. Кавендиша и Ш. Кулона в установлении закона электрического взаимодействия
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 3
1. Установление Закона электрического взаимодействия. 4
2. Закон Кулона. 6
Заключение. 10
Литература. 11
Введение
Вопрос о том, как взаимодействуют наэлектризованные тела, интересовал ученых издавна: эффект притяжения легких предметов натертым янтарем был известен еще в эпоху античности. Однако лишь после создания механики Ньютона этот вопрос приобрел определенность и была поставлена задача определения зависимости силы электростатического взаимодействия от расстояния.
Понятно, что многие естествоиспытатели XVIII в., занимавшиеся проблемами электричества, задумывались об аналогии между электрическими силами и силами всемирного тяготения. На этой аналогии основывалось предположение о том, что «закон электрической силы» есть закон «обратных квадратов».
Правда, доказать справедливость этого предположения оказалось не так просто. Это объяснялось, во-первых, особенностями явлений электростатики, отличающими их от эффектов тяготения, а во-вторых, относительно низким уровнем развития количественного физического эксперимента. Лишь в 1785 г. были представлены убедительные экспериментальные доказательства того, что сила, действующая между неподвижными «элементарными» (т. е. точечными) зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
1. Установление Закона электрического взаимодействия
Честь обоснования Закона электрического взаимодействия принадлежит, как указывалось ранее, выдающемуся французскому инженеру и физику Кулону. Шарль Огюстен Кулон родился 14 июля 1736 г. во французском городе Ангулеме в семье чиновника. Кулон был одним из первых ученых, сочетавших в своих исследованиях высокий уровень экспериментов с ориентацией на практические проблемы. В 80-е годы Кулон провел исследование кручения тонких металлических нитей, на основе которого он построил знаменитые крутильные весы — прибор для измерения малых сил, обладавший уникальной для XVIII в. чувствительностью. Крутильные весы стали основным прибором в цикле работ Кулона по электричеству и магнетизму (1785-1789). В этом цикле, состоявшем из семи мемуаров, были установлены важнейшие количественные закономерности электро- и магнитостатики. Попытки экспериментального определения «закона электрической силы» предпринимались с середины XVIII в., однако до Кулона все они оказались неудачными, поскольку не проводилось различие между пондеромоторными силами, возникающими между заряженными телами произвольных размеров, и силами, действующими между «элементарными» (точечными) зарядами.[2] Правда, английскому ученому, физику и химику Г. Кавендишу с помощью метода сферического конденсатора (около 1773 г.) удалось показать, что закон взаимодействия электрических зарядов есть действительно закон «обратных квадратов», однако результаты его исследований не были опубликованы и никак не повлияли на работу Кулона.
Следует отметить, что метод Кавендиша не позволял ввести единицу электрического заряда. Метод Кулона, основанный на непосредственном анализе сил взаимодействия заряженных тел малых размеров, позволил это сделать, поэтому опыты французского ученого
имели особое значение для развития науки об электричестве. [2]
Г. Кавендиш родился 10 октября 1731 в Ницце. Сын лорда Чарлза Кавендиша, состоявшего в родстве с герцогом Девонширским и герцогом Кентским.[4] К 1771 г. относится начало знаменитых исследований Кавендиш по электричеству; большинство работ его в этой области оставались, однако, неизвестными до 1879 г., когда Дж. К. Максвелл опубликовал эти исследования, хранившиеся в виде рукописей в библиотеке кембриджского университета. В одной из этих работ (1773) Кавендишем за 12 лет до Кулона опытно нашел закон взаимодействий электрических масс, называемый обыкновенно законом Кулона; закон этот высказан был Кавендишем еще в 1771 г. в его статьях, относившихся к теории электричества. Он предвосхитил многие изобретения 19 в. в области электричества. Среди опубликованных им работ – Электрические явления (Phenomena of Electricity, 1771). Закон Кулона является фундаментальным законам природы, хотя он прост по форме, но глубок по содержанию. Раскрыть его с достаточной полнотой может предлагаемый исторический экскурс. Считалось, что электрические явления обязаны своим происхождением существованию невесомых жидкостей, частицы которых взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания.
Естественно, что для построения теории электричества необходимо было в первую очередь найти закон взаимодействия.
Еще в 1760 г. Д. Бернулли сообщил, что он с помощью специально сконструированного электрометра установил квадратичный закон взаимодействия наэлектризованных тел.
Однако он не опубликовал своих результатов. В 1767 г, в Англии вышла книга химика, физика и философа Джозефа Пристли (1733—1804) «История и современное состояние электричества с оригинальными опытами».[4] В этой книге описывается эксперимент, который Пристли проделал по совету Франклина.
Заряжался хорошо изолированный полый металлический сосуд. Внутрь
сосуда вводились пробковые шарики. Шарики совершенно не испытывали
силового действия, хотя снаружи оно было значительным. Идея этого опыта была подсказана теорией тяготения Ньютона. Дело в там, что, согласно Ньютону, гравитационные силы, действующие на материальную точку, находящуюся внутри полой сферы, уравновешены. Пристли приходит к гипотезе, что «электричество есть явление, которое следует такому же закону, как и тяготение», т. е. электрическая сила, как и сила тяготения, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Эта мысль была развита английским ученым Генри Кавендишем. Кавендиш не опубликовал многих из своих исследований по электричеству. Почти сто лет рукописи хранили интереснейшие результаты, пока Максвелл не издал их, снабдив комментариями. Кавендиш видоизменил опыт Пристли так, что получил возможность судить о законе, которому подчиняется взаимодействие электрических зарядов.[3] Точность измерительного прибора позволила Кавендишу установить, что закон взаимодействия должен иметь вид:  , где п не может быть больше 1/50. Такова предыстория открытия.
2. Закон Кулона
Кулон - автор ряда выдающихся исследований. Его имя стало известно в научном мире в 1777 г. после опубликования работ, в которых были представлены результаты экспериментов по измерению кручения волос, шелковых нитей и металлических проволок. В 1781 г. он получил за эти работы премию и стал членом Парижской Академии наук. К вопросам электричества и магнетизма Кулон обратился в связи с объявленным Академией наук конкурсом на лучшую конструкцию корабельного компаса.
Опыты по кручению нитей, обнаруживающие пропорциональность между моментом закручивающей силы и углом, привели Кулона к изобретению крутильных весов, с помощью которых он провел в период
1785 — 1789 гг. точные измерения электрических и магнитных сил. Кулону
удалось изготовить крутильные весы со столь тонкой нитью, что углу в 1°
соответствовала сила примерно в 10-11 Н. Взаимодействие заряженных
 тел изучалось на установке, изображенной на рисунке. Стеклянный цилиндр А высотой около 30 см закрыт стеклянной крышкой С с цилиндрической стойкой длиной около 0,5 м, в ней свободно висит серебряная проволока. Сверху проволока прикреплена к головке b, которую можно вращать
вокруг оси цилиндра, снизу к проволоке подвешено коромысло Р. На одном его конце находится изолированный шарик, подвергающийся электризации, на другом — маленький диск g, служащий противовесом (коромысло было сделано из шелковой нити, покрытой сургучом). Угол поворота головки b с прикрепленной к ней проволокой можно отмечать с помощью указателя а.
Для отсчета угла поворота коромысла на окружность цилиндра нанесены градусные деления Q. Опыты производились следующим образом. Через отверстие в крышке цилиндра вводили наэлектризованный шарик d, тождественный шарику на коромысле. При соприкосновении шарики получали одинаковые заряды и отталкивались, при этом по градусной шкале Кулон фиксировал угол отклонения, равный 36°. Далее головку с проволокой закручивали в сторону, противоположную отклонению коромысла, до тех пор, пока угол отклонения шарика не становился равным 18°. Расстояние между шариками уменьшалось вдвое, между тем как сила кручения проволоки возрастала в четыре раза и т; д. Отсюда Кулон заключил: «Сила отталкивания двух небольших, одинаково наэлектризованных шариков, обратно пропорциональна квадрату расстояния центров обоих шариков». [5]
Этот результат был опубликован в первом мемуаре Кулона. В последовавшем вскоре втором мемуаре Кулон доказывает, что найденный закон справедлив и для случая взаимодействия противоположно наэлектризованных шариков. Но сформулированный Кулоном результат — это еще не искомый закон. Пока речь идет о взаимодействии заряженных шариков, а найти нужно закон взаимодействия зарядов. Сейчас мы знаем,
что заряды связаны с элементарными частицами вещества. Если, например, от некоторого тела отнять один электрон, то оно будет иметь положительный заряд е0
= 1,6.10-19
К. Совершенно безразлично при этом, какое это тело: железное, деревянное, медное, свинцовое и т. д. Кулон не знает, как связано вещество шариков с электрической жидкостью. Поэтому для перехода к обобщению полученного результата необходимо дополнительное исследование.[5] Надо теперь показать, что взаимодействие заряженных шариков не зависит от материала, из которого они сделаны. Здесь нужны были не только опыты, но и определенные теоретические представления. Кулон впервые убедительно показывает, что вся совокупность фактов, найденных в области электричества, может быть связана воедино только при условии принятия гипотезы о существовании двух видов электричества, а поэтому двух сортов частиц невесомой электрической жидкости. Он эти частицы называет «молекулами электричества». «Какова бы ни была причина электричества,— пишет он,— мы можем объяснить все явления, предполагая, что имеются две электрические жидкости; части одной и той же жидкости отталкиваются одна от другой обратно пропорционально квадрату, расстояния и притягивают части противоположной жидкости согласно тому же закону обратных квадратов». Кулон считает, что эти жидкости могут свободно перемещаться в теле относительно неподвижных частиц вещества. Уверенность в том, что закон взаимодействия заряженных шариков тождествен закону взаимодействия зарядов, дало изучение закономерностей распределения заряда в телах. Кулон независимо от Кавендиша устанавливает, что статический заряд располагается на внешней поверхности проводника, причем плотность заряда зависит от кривизны поверхности. Его опыт почти в точности повторяет кавендишевский. Изолированный металлический шар А закрывают двумя металлическими полусферами В и С.
Систему заряжают; затем полусферы убирают. На шаре A заряда не обнаруживают. Тот же результат получается, если зарядить шар А, закрыть его полусферами, а затем убрать их. Если заряд распределяется по
поверхности, то взаимодействие заряженных тел не должно зависеть от их качества. Можно сказать, что взаимодействие шариков осуществляется только зарядами на их поверхности; качество того, что содержится внутри поверхностей, безразлично. Сила тяготения практически не оказывает влияния на электрическую силу. Между массами шариков гравитационное взаимодействие ничтожно мало, между шариками и Землей — уравновешено силой натяжения нитей. Далее нужно было убедиться, что при соприкосновении одинаковых шариков заряд распределяется поровну. Ведь еще нет понятий электроемкости и потенциала, и то, что нам сегодня представляется очевидным, нужно было доказывать опытом. Кулон изучает распределение заряда при соприкосновении двух тел. Он находит, что заряды распределяются поровну, если сферы имеют одинаковые радиусы. Наконец, нужно было изучить распределение электрической силы вблизи поверхности заряженного проводника. Ведь закон устанавливался при наблюдении взаимодействия шариков, и нужна была уверенность в симметрии поля сил, ибо только тогда было бы выполнено условие точечности зарядов. Кулон установил, что электрическая ила действует в направлении, перпендикулярном поверхности проводника. Этот факт получил обоснование уже в теории электромагнитного поля.[4] Особенно длительными и трудоемкими были наблюдения утечки заряда. Кулон хорошо понимал, что закон можно установить только при условии сохранения количества электричества на взаимодействующих телах. И он тщательно изучал возможности его сохранения. При этом он открыл новую истину: воздух не является идеальным изолятором, часть заряда неизбежно просачивается в него. Правда, Кулон еще не представлял значения поверхностной проводимости диэлектриков. Он считал, что влажность воздуха увеличивает утечку заряда через воздух. Но он знал условия, при которых опыт можно
провести корректно, с наименьшими поправками в результатах измерений. Дело осталось за чувствительностью прибора.[5]
Заключение
Закон этот по праву считается исторически первым законом электротехники. Он позволяет количественно оценить силу взаимодействия (отталкивания или притяжения) между двумя заряженными частицами, например наэлектризованными бузиновыми шариками. Сила прямо пропорциональна произведению самих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Если первоначальное расстояние между двумя одноименно (положительно или отрицательно) заряженными шариками уменьшить вдвое, то сила, отталкивающая их один от другого, возрастет вчетверо.
Закон был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Огюстеном Кулоном (1736-1806) в 1785 г. и назван его именем. Имя Кулона присвоено также единице количества электричества, или единице заряда, которая сокращенно обозначается Кл.
Основной закон электростатики первым открыл не Кулон, а английский физик и химик Генри Кавендиш (1731-1810), член Лондонского королевского общества.
Относится его открытие к 70-м годам XVIII века. Но Кавендиш своих работ по электричеству не публиковал. Более ста лет рукописи пролежали в библиотеке Кембриджского университета в Англии, пока их не извлек Дж. К. Максвелл и не напечатал в конце своей жизни - в 1879 г., когда прошло уже без малого столетие после публичного сообщения Кулона об установленном им законе.
Литература
1. Д. Фриш, А. Торндайк Элементарные частицы. /пер. с англ. В.В. Емельяновой, - М.: Атомиздат, 2009. -102с.
2. Р. Фейнман Закон электрического взаимодействия. - М.: Наука, 2008. – 148с.
3. Чуянов В.А."Физика от "А" до "Я". - М.: Педагогика-Пресс, 2008. - 697с.
4. Михалев А.Р. Г. Кавендиш и Ш. Кулон в установлении закона электрического взаимодействия. – Спб.: Виола, 2010. – 107с.
5. Яковлев Р.Е. Закон Кулона электрического взаимодействия. – Спб.: Питер, 2009. – 112с.
|