静電気の基本法則。科学的発見の歴史と本質

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静電気の基本法則。科学的発見の歴史と本質

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電気現象は、孤立した面白い自然現象の本来の性質を次第に失い、次第に一種の統一性を形成し、既存の理論はいくつかの基本原理でカバーしようとしました。定性調査から定量調査に移行する時が来ました。

この研究の方向性は、サンクトペテルブルクの学者 F. Epinus (1859–1724) による 1802 年の研究で明確に表現されています。

アエピヌスは、彼の数学的考察の基礎に次の原則を置いています。自然状態のすべての物体は、非常に明確な量の電気を持っています。電気流体の粒子は互いに反発し、通常の物質に引き付けられます。電気的効果は、体内の電気流体の量が自然な状態の量より多いか少ない場合に現れます。

Aepinus は次のように仮定しています。 . そのような依存性を支持して、明らかに、他の自然現象との類似性が語られているため、これはある程度の妥当性を持って想定することができます。エピヌスに続いてヘンリー・キャベンディッシュ (1731–1810) が彼の 1771 年の論文で、XNUMX つの変更を加えてアエピヌスの仮説を受け入れた: XNUMX つの電荷の引力はある程度の距離に反比例すると仮定されているが、まだ特定されていない。

キャベンディッシュは、数学的推論を使用して次のように結論付けています。電荷の相互作用の力が逆二乗の法則に従う場合、「ほぼすべて」の電荷は導体の表面そのものに集中します。したがって、電荷の相互作用の法則を確立する間接的な方法が概説されています。

「電気力の法則」を確立する上での主な困難は、重力起電力が素電荷間で作用する力と一致する実験状況を見つけることでした。

おそらく、この問題への正しいアプローチは、イギリスの博物学者 J. Robison (1739-1805) によって最初に発見されました。

Robison が使用した実験方法は、相互作用する電荷が局在する球の寸法が球の中心間の距離よりもはるかに小さい場合、それらの電荷を点電荷と見なすことができるという考えに基づいていました。

イギリス人が測定を行ったインスタレーションは、彼の基本的な作品「機械哲学のシステム」に記載されています。この作品は、彼の死後の 1822 年に出版されました。

測定誤差を考慮して、ロビソンは次のように結論付けました。

「球間の作用は、それらの中心間の距離の逆二乗に正確に比例します。」

ただし、静電気の基本法則にはロビソンの名前はありません。事実は、科学者が1801年にのみ得られた結果について報告し、後でさらに詳細に説明したことです。当時、フランスの科学者の作品ペンダント.

チャールズ・オーギュスタン・クーロン (1736–1806) は、フランス南西部のアングレームで生まれました。チャールズの誕生後、家族はパリに引っ越しました。

最初、少年はマザラン大学としても知られるフォーネーションズ大学に通いました。すぐに父親は破産し、家族を南フランスのモンペリエに残しました。母と息子の間の対立は、チャールズが首都を離れて父親に引っ越したという事実につながりました。

1757 年 XNUMX 月、モンペリエ王立科学協会の会合で、若い数学愛好家が最初の科学著作「平均比例曲線に関する幾何学的エッセイ」を読みました。その後、クーロンは協会の活動に積極的に参加し、さらに XNUMX 冊の回想録を発表しました (XNUMX 冊は数学に関するもの、XNUMX 冊は天文学に関するものです)。

1760 年 XNUMX 月、シャルルはメジエール軍事工兵学校に入学しました。翌年 XNUMX 月、チャールズは学校を卒業し、フランス西海岸の主要な港であるブレストに配属されました。それから彼はマルティニークに来ました。そこで過ごしたXNUMX年間、彼は何度か重病にかかりましたが、そのたびに公務に復帰しました。これらの病気は見過ごされませんでした。フランスに戻った後、クーロンは完全に健康な人とは見なされなくなりました。

これらすべての困難にもかかわらず、クーロンは自分の任務を非常にうまく遂行しました。モンガルニエに砦を建設した彼の成功は昇進によって特徴付けられました。1770 年 XNUMX 月に彼は大尉の階級を受け取りました。当時、これは非常に急速な昇進と考えられます。すぐに、クーロンは再び重病を患い、ついにフランスへの転勤を求める報告書を提出した。

帰国後、クーロンはブッシェンに配属された。ここで彼は、西インド諸島での勤務中に始めた研究を完了します。彼が最初の科学的研究で定式化したアイデアの多くは、材料の強度の専門家によって今でも基本的なものと見なされています。

1774年、クーロンはシェルブールの大港に移され、1777年まで勤務した。そこで、クーロンは多くの要塞の修理に従事していました。この研究は余暇に多くの時間を残し、若い科学者は科学的研究を続けました。当時クーロンが関心を持っていた主なトピックは、地球の磁場を正確に測定するための磁針を製造するための最適な方法の開発でした。このトピックは、パリ科学アカデミーが発表したコンペで与えられました。

1777 年のコンペティションの XNUMX 人の勝者が一度に発表されました - すでにコンペティションの仕事を提案していたスウェーデンの科学者ヴァンシュウィンデンとクーロンです。しかし、科学の歴史にとって、最も興味深いのは磁気針に捧げられたクーロンの回顧録の章ではなく、矢がぶら下がっている糸の機械的性質が分析されている次の章です。科学者は一連の実験を行い、ねじり変形力のモーメントが糸のねじれ角とそのパラメータである長さと直径に依存する一般的な順序を確立しました。

ねじれに対する絹糸と髪の毛の弾性が低いため、弾性力の発生モーメントを無視し、磁気針が偏角の変化に正確に従うと想定することができました。この状況は、クーロンが円筒形の金属ねじのねじれを研究するきっかけとなりました。彼の実験結果は、1784年に完成した「金属線のねじり力と弾性に関する理論的および実験的研究」にまとめられています。

1777 年の競技会のためのクーロンの細い金属糸のねじれの研究は、ねじりバランスの作成という重要な実用的な結果をもたらしました。この装置はさまざまな性質の小さな力を測定するために使用でき、XNUMX 世紀には前例のない感度を提供しました。

最も正確な物理デバイスを開発したクーロンは、それにふさわしいアプリケーションを探し始めました。科学者は電気と磁気の問題に取り組み始めます。

電気の分野でクーロンによって得られた最も重要な成果は、静電気の基本法則、つまり定常点電荷の相互作用の法則の確立でした。科学者は電気の基本法則を次のように定式化します。

「同じ性質の電気によって帯電したXNUMXつの小さなボールの反発力は、ボールの中心間の距離のXNUMX乗に反比例します。」

クーロンは、同様の電荷の反発力の距離依存性を測定することから始め、数多くの実験を行いました。科学者は、電荷間の距離の比率が 36:18:172、対応する斥力が 36:144:5751 であるという XNUMX つの測定結果を示しました。つまり、力は距離の XNUMX 乗にほぼ正確に反比例します。実際には、実験データは理論的法則とは多少異なります。クーロン氏は、計算で採用されたいくつかの単純化に加えて、矛盾の主な理由は実験中の電気の漏れであると考えています。

天秤の動いているボールが反対の符号の別の電荷と接触するのを防ぐことは非常に難しいため、引力を測定する作業はより困難であることが判明しました。それにもかかわらず、クーロンはXNUMXつのボールの引力とねじれた糸の反対の力との間のバランスを達成することができました。得られた実験データは、引力も逆二乗則に従うことを示しました。

しかし、クーロンもこれらの結果に満足していませんでした。「彼が予見したように、電気の理論において基本的な役割を果たすこの法則を確認するために、クーロンは小さな力を測定するための新しい独自の方法に頼りました。これは以前に測定に使用されていました。スチールポイントの磁力. この方法は非常に効果的であることが判明し、現在「振動方法」として知られています. 振り子の振動の周波数が磁力の大きさに依存するのと同じように.そのため、水平面内で振動する帯電した針の振動の周波数は、それに作用する強度の電気力に依存するため、この力は XNUMX 秒あたりの振動数から求めることができます。これを実装するには計画では、クーロンは絶縁ロッドを振動させ、端に小さな垂直帯電プレートを装備し、絶縁金属ボールの前に配置し、プレートの電荷とは反対に帯電し、その水平直径のXNUMXつがov は、平衡状態にあるときにプレートの中心を通過します。このようにして、逆二乗則も完全に確認されました。」

このようにして、クーロンは静電気学の基礎を築きました。彼は、基礎と応用の両面で重要な実験結果を得ました。物理学の歴史にとって、ねじり天秤を使った彼の実験は、力学で使用される量 (力と距離) を通じて電荷の単位を決定する方法を物理学者に与えたため、非常に重要でした。これにより、電気の定量的研究が可能になりました。現象。

著者: サミン D.K.

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