В данной статье мы поведем разговор об основном законе электростатики.
Электрические явления в конце XVII века перестали быть чем-то загадочным, так как приближалась эра образования единства, которое ученые того времени пытались описать несколькими основными принципами. Приближалось время перехода от качества к количеству в опытных исследованиях.
Петербургский академик Ф. Эпинус
С электричеством работало много ученых, например, петербургский академик Ф. Эпинуса, который в своих математических рассмотрениях этого вопроса говорил: «Каждое тело, которое находится в естественном состоянии, наделено определенным количеством электричества. Элементарные частицы электрического флюида могут взаимно притягиваться и отталкиваться к обычной материи. Проявление электрических эффектов происходит в том случае, когда количество электрического флюида превышает или меньше количества естественного состояния тела».
Эпинус говорил, что не может взять на себя ответственность с определением данных функциональных зависимостей. Но если бы ему дали выбор, то он бы отдал предпочтение утверждению, что величины имеют изменение обратно пропорциональное квадратам расстояний. Он считал, что такое предположение можно считать более правдоподобным, так как в его пользу говорит аналогия с другими природными явлениями. Поддержал идею Эпинуса и Генри Кавендиш, который в своих статьях неоднократно упоминал гипотезы Эпинуса с одним изменением: «Притяжение двух электрических зарядов можно считать обратно пропорциональным некоторой степени расстояния, которая пока не имеет точного значения».
Генри Кавендиш
Кавендиш при помощи математических выражений пытался объяснить и сделать определенный вывод: «Электрические заряды должны подчиняться закону обратных квадратов, а электрический заряд находится на поверхности проводника». Таким рассуждением Кавендиш наметил косвенный путь становления закона взаимодействия электрических зарядов.
Основной трудностью при становлении «закона электрической силы» было то, что в то время не представлялось возможным создание экспериментальной ситуации, при которой пондемоторные силы приравнивались к силам, действующим между электрическими зарядами.
Наверное, оптимально решить эту проблему попытался англичанин Дж. Робайсон (1739-1805).
Робайсон использовал экспериментальный метод, который основывался на идее о том, что взаимодействующие электрические заряды необходимо считать точечными. В этом методе принято считать, что размеры сфер, на которых сосредоточены электрические заряды имеют меньшие размеры, чем расстояния между центрами сфер. Робайсон описал свою экспериментальную установку в труде «Система механической философии», который был издан уже после смерти автора в 1822 году.
В своей работе Робайсон писал: «Взаимодействие между сферами в точности пропорциональное обратному квадрату расстояния между центрами сфер».
Известно, что основной закон электростатики не назван именем Робайсона. Ошибка Робайсона заключалась в том, что о своих результатах он заявил миру только в 1801 году, а подробно описал еще позже. В этот период уже везде знали о достижениях ученого из Франции – Шарля Кулона.
Шарль Огюстен Кулон
Шарль Огюстен Кулон появился на свет в юго-западной провинции Франции – городке Ангулеме. Сразу после его рождения родители Шарля решили переехать в Париж.
Первые занятия Шарль посещал в Коллеже четырех наций (Коллеже Мазарини). В дальнейшем отец Шарля был разорен и уехал от семьи на юг Франции, а конфликт сына с матерью привел к тому, что мальчику пришлось уехать к отцу.
Впервые Шарль Кулон представил свою научную работу «Геометрический очерк среднепропорциональных кривых» на заседании Королевского научного общества Монполье в 1757 году. После этого он принимал активное участие в работе данного общества и представил еще целый ряд работ – две по математике и три по астрономии.
В 1760 году Шарлю удается поступить в Мезьерскую школу военных инженеров, которую заканчивает уже в следующем году и получает назначение в порт на западном побережье Франции. В дальнейшем Кулон попадает в Мартинику, где за 8 лет переносит несколько серьезных заболеваний, которые сказались на его здоровье.
После возвращения домой Кулон продолжает свои исследования. При этом совмещает научную деятельность с своими прямыми обязанностями – ремонт и строительство различных объектов. В этот период Кулон пытается создать оптический метод изготовления магнитных стрелок для точных измерительных приборов магнитного поля Земли. Такая задача была поставлена на конкурсе Парижской академии наук, в котором Кулон завоевал призовое место.
Начиная с 1777 года, Кулон занялся созданием точных измерительных приборов. Исследуя кручение тонких металлических нитей, Кулон создает крутильные весы , которые обладают высокой чувствительностью при измерении малых сил различной природы. Он решил использовать его в электричестве и магнетизме.
Крутильные весы Кулона
Главным достижением Кулона в области электричества – это открытие основного закона электродинамики, который описывает взаимодействие неподвижных точечных зарядов.
Основной закон электродинамики Кулона звучит так: «Сила отталкивания двух небольших шариков, которые наэлектризованы электричеством одинаковой природы, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами сфер».
Кулон произвел измерения зависимостей силы противодействия одинаковых зарядов от расстояния и осуществил множество опытов. Ученый анализирует результаты 3 экспериментальных замеров, при которых расстояния между зарядами относились как 36. 18: 172, а соответствующие силы отталкивания - как 36: 144- 5751, то есть силы почти точно обратно пропорциональны квадратам расстояний. В практическом аспекте результаты опыта имели отличия от теоритического закона. Кулон считал причиной данного недостатка, тот факт, что в период проведения опыта электричество менялось.
Труднее оказалось сделать замер притяжения, так как тяжело создать помеху подвижному шарику весов войти в соприкосновение с другим шариком, имеющим противоположный заряд. Но Кулон все-таки это сделал. Результат лишний раз подтвердил правильность закона обратных квадратов .
Сообщение на тему:
«Кулон Шарль Огюстен»
Шарль Огюстен Кулон ( 1736- 1806)
Французский военный инженер и учёный-физик, исследователь электромагнитных и механических явлений; член Парижской Академии наук. Его именем названы единица электрического заряда и закон взаимодействия электрических зарядов.
Биография
Шарль Кулон родился 14 июня1736 г. в Ангулеме, в семье правительственного чиновника. Учился в «Коллеже четырёх наций» . После окончания этого заведения сдал экзамены и в феврале 1760 г. поступил в Военно-инженерную школу в Мезьере, одно из лучших высших технических учебных заведений XVIII века. Окончил Школу в 1761 г., получил чин лейтенанта и был направлен в Брест, где занимался картографическими работами. Затем в течение нескольких лет Кулон служил в инженерных войсках на принадлежавшем Франции острове Мартиника в Форте Бурбон. Много раз тяжело болел. По состоянию здоровья был вынужден вернуться во Францию, служил в Ла-Рошели и Шербуре. В 1781 г. обосновался в Париже. После начала революции в 1789 г. ушёл в отставку и жил в Блуа.
Научная деятельность
В начале 1770-х Кулон активно занялся научными исследованиями. Публиковал работы по технической механике (статика сооружений, теория ветряных мельниц, механические аспекты кручения нитей и т. п.) Кулон сформулировал законы кручения; изобрёл крутильные весы, которые сам же применил для измерения электрических и магнитных сил взаимодействия. В 1781 г. описал опыты по трению скольжения и качения? и сформулировал законы сухого трения. С 1785 по 1789 г. опубликовал семь мемуаров, где сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), а также закономерность распределения электрических зарядов на поверхности проводника. Ввёл понятия магнитного момента и поляризации зарядов. В 1789 г. у него вышел труд по теории трения скольжения.
Уже после революции Академия наук неоднократно вызывала учёного в Париж для участия в определении мер и весов. Кулон стал одним из первых членов Национального института, заменившего академию. Кулон скончался 23 августа1806 г. в Париже.
Бабочки, конечно, ничего не знают о змеях. Зато о них знают птицы, охотящиеся на бабочек. Птицы, плохо распознающие змей, чаще становятся...
Октавой называется интервал между двумя ближайшими одноименными звуками: до и до, ре и ре и т. д. С точки зрения физики «родство» этих...
В 27 году до н. э. римский император Октавиан получил титул Август, что на латыни означает «священный» (в честь этого же деятеля, кстати,...
Известная шутка гласит: «NASA потратило несколько миллионов долларов, чтобы разработать специальную ручку, способную писать в космосе....
Известно порядка 10 миллионов органических (то есть основанных на углероде) и лишь около 100 тысяч неорганических молекул. Вдобавок...
В отличие от обычного стекла, кварцевое пропускает ультрафиолет. В кварцевых лампах источником ультрафиолета служит газовый разряд в парах ртути. Он...
При большом перепаде температур внутри облака возникают мощные восходящие потоки. Благодаря им капли могут долго держаться в воздухе и...
Шарль Огюстен де Кулон родился в зажиточной семье в городе Ангулем, Франция. Его отец, Анри Кулон, происходил из известной семьи юристов, а его мать, Кэтрин Баже, была представительницей знатного рода.
В детстве Кулон с семьёй переехал в Париж, где изучал математику в «Коллеже четырёх наций», а затем поступил в «Мезьерскую школу военных инженеров», которую окончил в 1761 году.
Карьера
Кулон начал свою карьеру в инженерных войсках в чине лейтенанта. В том числе он занимался строительным проектированием и механикой сыпучих тел. Работал на многих сложных локациях, которые перешли под протекторат Франции в последующие 20 лет.
Во время его работы на острове Мартиника, территория перешла под контроль англичан в 1762 году, но, спустя некоторое время была возвращена назад Франции в рамках условий Парижского мирного договора 1763 года. Кулон также работал над постройкой нового Форта Бурбон, работы над постройкой которого завершились к июню 1772 года. Практические навыки в инженерном деле, которые он приобрёл во время службы в армии и работы над проектами, оказались очень полезными для его дальнейших изысканий в механике.
После возвращения во Францию Кулон начал изучать прикладную механику, и в 1773 году представил свою первую работу в Парижской академии наук. Его вычисления, при помощи которых можно было успешно решать инженерные проблемы, поразило представителей академии и 6 июля 1774 года Кулона назначили студентом-корреспондентом Боссю.
В 1777 году, находясь на службе в Шербуре, Кулон написал и подал на конкурс в Академию наук свою наиболее известную работу о магнитных компасах. Его работа заняла первое место, и он получил денежное вознаграждение, а также привлёк внимание к своей ранней работе по крутильным весам.
В 1779 году Кулон, совместно с выдающимся военным инженером Марком Рене де Монталамбером, работал над сооружением деревянного форта в Рошфоре. Во время контроля ведущихся там работ Кулон продолжал свои научные исследования и написал большую работу по теории трения, используя верфи Рошфора как свою лабораторию. Его труд по трению с названием «Теория простых машин» в 1781 году выиграл гран-при Академии наук.
В 1781 году Кулона избрали в Академию наук по классу механики. Он переехал в Париж и стал инженером-консультантом, а всю оставшуюся жизнь посвятил физике.
Между 1785 и 1791 годами он написал семь ключевых работ-мемуаров, в которых речь шла о различных аспектах электричества и магнетизма.
Он также сформулировал теорию известную под названием «Закон Кулона» со следующей формулировкой: «Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними».
В 1784 году Кулона назначили смотрителем королевских фонтанов, и на своём посту он занимался обеспечением Парижа водой.
После Великой французской революции многие заведения страны подверглись реорганизации, и, будучи недовольным ею, Кулон покинул школу военных инженеров в 1791 году. В 1793 году он перебрался в свой дом неподалёку от городка Блуа и продолжил свои научные исследования. В декабре 1795 года Кулон опять вернулся в Париж, где был избран членом «Института Франции». В течение 1802-1806 годов, будучи на посту генерального инспектора государственных образовательных учреждений, он был поглощён вопросами образования.
Основные научные работы
В 1785 году вышли три основных научных доклада Кулона по электричеству и магнетизму: «Первая работа по электричеству и магнетизму», «Вторая работа по электричеству и магнетизму» и «Третья работа по электричеству и магнетизму».
В его известной работе от 1789 года с названием «Седьмая работа» Кулон разъясняет вопрос электрических зарядов и магнитных полей (закон притяжения и отталкивания).
Личная жизнь и наследие
Первый сын Кулона родился 26 февраля 1790 года, а второй 30 июля 1797 года от Луизы Франсуазы Лепру Дезормо – женщины, которую он любил, но на которой не женился аж до 1802 года.
Имея проблемы со здоровьем в течение всей своей жизни, великий физик умер от лихорадки в 1806 году.
На Луне есть кратер, названный в честь Кулона за его заслуги перед человечеством.
Его имя одно из 72, которые размещены на Эйфелевой башне.
Единица международной системы единиц – кулон – названа в его честь.
Теория давления грунта и обобщённая теория клина, которые относятся к механике сыпучих тел и были предложены Кулоном, до сих пор входят в основы инженерной практики.
В список его заслуг входит изобретение крутильных (торсионных) весов.
Оценка по биографии
Новая функция! Средняя оценка, которую получила эта биография. Показать оценку
Шарль-Огюстен де Кулон - французский физик и военный инженер, родился в городе Ангулеме во Франции.
Его отец, Анри Кулон, правительственный чиновник, вскоре после рождения Шарля переехал с семьёй в Париж, где некоторое время занимал доходную должность по сбору налогов, но, пустившись в спекуляции, разорившие его, вернулся на родину, на юг Франции, в Монпелье. Шарль с матерью остался в Париже. В конце 1740 -х годов его поместили в одну из лучших школ того времени для молодых людей дворянского происхождения - «Коллеж четырёх наций», известный также как Коллеж Мазарини. Уровень преподавания там был достаточно высок, в частности, большое внимание уделялось математике. Во всяком случае, юный Шарль настолько увлёкся науками, что решительно воспротивился намерениям его матери избрать для него профессию медика, или, в крайнем случае, юриста. Конфликт стал настолько серьёзен, что Шарль покинул Париж и переехал к отцу в Монпелье.
Военный инженер
В этом городе ещё в 1706 было основано научное общество, второе после столичной академии. В феврале 1757 21-летний Кулон прочитал там свою первую научную работу «Геометрический очерк среднепропорциональных кривых» и вскоре был избран адъюнктом по классу математики.
Но это приносило лишь моральное удовлетворение, нужно было выбирать дальнейший путь. Посоветовавшись с отцом, Шарль избрал карьеру военного инженера. Научное общество Монпелье снабдило Кулона нужными рекомендациями, и после сдачи экзаменов (достаточно трудных, так что подготовка к ним потребовала девяти месяцев занятий с преподавателем) Шарль Кулон в феврале 1760 направился в Мезьер, в Военно-инженерную школу, одно из лучших высших технических учебных заведений того времени. Обучение велось там с отчётливо выраженным практическим уклоном: кроме математики, физики и других «теоретических предметов», изучались многие чисто-прикладные дисциплины - от строительного дела и того, что теперь назвали бы «материаловедением», до вопросов организации труда (слушателям поручалось руководство бригадами крестьян, мобилизованных на общественные работы). Кулон окончил Школу в 1761 .
Хотя отзыв о нём руководителя Школы выглядит местами отнюдь не восторженно («Его работа об осаде хуже средней, рисунки сделаны очень плохо, с подчистками и пометками... Он полагает, как и другие со сходным образом мыслей, что древесину для лафетов и повозок можно просто найти в лесу...»), он, вероятно, был среди лучших выпускников (отмечен денежной премией).
Первые 10 лет службы
Получив чин лейтенанта, Шарль Кулон был направлен в Брест, один из крупных портов на западном побережье Франции. В Бресте Кулону были поручены картографические работы, связанные с возведением и перестройкой укреплений на побережье. Но эта деятельность была довольно непродолжительной.
Меньше, чем через два года Кулону пришлось экстренно включиться в работы по возведению крепости на о. Мартиника в Вест-Индии для защиты его от англичан. Объявленный конкурс на проект укрепления выиграл опытный военный инженер де Рошмор, но этот проект вызвал большой спор, в который был вовлечён и Кулон. Хотя проект в целом и удалось отстоять, но в него пришлось внести значительные изменения; в частности, ассигнования были уменьшены более чем в два раза. Кулон, оставшийся фактическим руководителем строительства, под началом которого работало почти полторы тысячи человек, оказался перед лицом множества весьма сложных, и далеко не только технических задач. Условия работы были трудными, климат очень тяжёлым, людей не хватало, да и те, кто оставался, тяжело болели. Сам Кулон за восемь лет работы на острове тяжело болел восемь раз и впоследствии вернулся во Францию с сильно подорванным здоровьем. Приобретённый им большой опыт достался дорогой ценой.
После возвращения на родину
Вернувшись во Францию, Кулон в 1772 получает назначение в Бушен. Условия работы здесь были несравненно более лёгкие, и появилась возможность вновь активно продолжить научную деятельность. Задачи, которые он решал, относятся к той области, которую назвали бы теперь строительной механикой и сопротивлением материалов. Уже в то время эта область привлекала большое внимание многих физиков и математиков. После возвращения на родину, Кулон, проведя ещё довольно большое число новых исследований, послал свой мемуар в Парижскую академию наук, а затем зачитал его на двух заседаниях в марте и апреле 1773 . Об этом труде весьма похвально отозвались два академика, которым было поручено его рецензирование (одного из них, Борда, Кулон впоследствии спасал в период якобинской диктатуры, пряча его в своём поместье). Для автора это было большой поддержкой.
Но вскоре он увлёкся новыми проблемами. В 1775 Парижская академия наук объявила конкурсную задачу: «Изыскание лучшего способа изготовления магнитных стрелок, их подвешивания и проверки совпадения их направления с направлением магнитного меридиана и, наконец, объяснение их регулярных суточных вариации». Что касается последней части задачи, её решение в то время было явно недоступно (даже о самой причине существования магнитного поля Земли не только тогда, но даже и теперь известно не всё!), но вот задача о наилучшем устройстве компаса и, в частности, подвеса магнитной стрелки была актуальна. Она увлекла Кулона.
О том, насколько эта задача была непроста, какую высокую точность требовалось обеспечивать, можно судить хотя бы по следующему факту: подвешенная на тонкой шёлковой нити стрелка так чувствительно реагировала на все воздействия, что приходилось защищать её не только от слабейших воздушных потоков, но даже и от приближения глаза наблюдателя (на стрелке и на теле человека всегда могут оказаться электрические заряды, и их взаимодействие может сказаться на силах). Чтобы исключить это, Кулон решил заменить шёлковые нити металлической проводящей электричество проволокой. Это был шаг, сыгравший в дальнейшем очень большую роль, когда Кулон изобрёл и начал использовать крутильные весы. Но пока до этих работ было ещё далеко. В 1777 Кулон становится победителем конкурса, посвященного разработке прибора для исследования магнитного поля Земли, и тут же погружается в другую большую работу: в исследования трения. В 1779 (а затем, повторно, в 1781 ) академия объявила ещё один конкурс, посвящённый именно трению. Уже в 1780 Кулон представил в академию конкурсную работу «Теория простых машин», которая через год также была удостоена премии. Результаты этой работы базировались на многочисленных экспериментах Кулона, в которых исследовалось как трение между твердыми телами, так и трение в жидкостях и газах. Эти работы Кулон проводил уже в Лилле, куда он был переведён в начале 1780 . Примерно через год исполнилось его давнишнее желание: произошёл перевод в Париж, где 12 декабря 1781 он был избран в академики по классу механики.
В Париже
В столице на Кулона почти сразу же обрушилось множество дел, в том числе, и административных. Некоторые из них имели и политическую окраску, и одно из них даже закончилось для Кулона недельным заключением в тюрьму аббатства Сен-Жермен де Пре. Заседания в многочисленных комиссиях, в частности, в Комиссии по каналам в Бретани, оставляли мало времени для науки, и, тем не менее, Кулон представил в 1784 в академию свою работу, которую можно считать весьма важной: мемуар о кручении тонких металлических нитей, а 1785-89 гг. - серию мемуаров по электричеству и магнетизму.
Исследование кручения нитей может показаться имеющим лишь вспомогательное «техническое» значение, но без него были бы невозможны дальнейшие количественные измерения силы взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. Как и всегда, труд Кулона отличался глубиной и изобретательностью. Так, диаметр очень тонких нитей определялся Кулоном взвешиванием и измерением их длины. Многое из того, что вошло в классические исследования Кулона, можно теперь заметить и в трудах некоторых его предшественников. Так, крутильные весы использовал ещё в 1773 выдающийся английский учёный Генри Кавендиш, но он не печатал своих трудов, они были опубликованы лишь столетие спустя.
Важным для решения всей проблемы моментом явилось то, что Кулон понял: нужно исследовать взаимодействие «точечных» заряженных тел, т.е. таких, расстояния между которыми значительно превосходит их размеры. Но и здесь Кулон не был первым. К такой же мысли пришёл и англичанин Робайсон (1739 -1805 ), который в результате тщательных опытов пришёл к выводу, что сила электрического взаимодействия между телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними; но он сообщил о своих результатах лишь в 1801 , значительно позже Кулона.
Впрочем, «закон обратных квадратов» уже давно казался многим почти очевидным. И дело здесь не только в гипнотизирующем примере закона всемирного тяготения великого Ньютона; другой закон не позволил бы объяснить множество наблюдаемых фактов (например, почему внутри ящика с проводящими стенками, какой бы заряд на него ни помещался, никакое электрическое поле не ощущается).
Закон Кулона известен теперь, наверное, любому школьнику. Но вряд ли многим известно, какое искусство и наблюдательность пришлось проявить исследователю.
Кулон заметил попутно, что заряды довольно быстро «стекают» с тел, и правильно объяснил это тем, что воздух обладает некоторой проводимостью; это обстоятельство осложняло эксперимент, но оно само стало важным открытием. Многие знают, что закон взаимодействия магнитных полюсов, также тщательно изученный Кулоном, внешне очень похож на закон взаимодействия электрических зарядов. Из-за этого электростатика и магнитостатика долго представлялись во всём подобными друг другу, если не считать того удивительного факта, что «магнитные заряды» противоположных знаков почему-то всегда встречаются попарно и никогда - по отдельности. Лишь после работ Ампера выяснилось, что магнитные поля постоянных магнитов обусловлены не тем, что они состоят из огромного числа маленьких магнитиков (как, заметим, полагал и Кулон), а электрическими токами, т.е. движением электрических зарядов.
Современную классическую (т.е. неквантовую) теорию электрических и магнитных явлений часто называют электродинамикой Фарадея и Максвелла. Конечно, в написании этой важнейшей главы физики почетное место занимают и многие другие замечательные ученые, и в числе первых здесь по праву должно быть упомянуто имя Шарля Кулона.
Кулон скончался 23 августа 1806 г. в Париже. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.
