Меню Рубрики

Установка кулона опыт кулона

Опыт Кулона по определению силы электростатического взаимодействия точечных зарядов

В 1784 году французский военный инженер Шарль Огюстен де Кулон, нашедший свое истинное призвание в физике, провел эксперимент, вошедший в историю науки под его именем. Знаменитый опыт Кулона положил начало точным количественным методам изучения различных проявлений электромагнетизма.

Предыстория события

Кулон, плодотворно занимавшийся наукой в течение многих лет, конечно, опирался как на результаты исследований в области электричества, полученные его предшественниками, так и на собственные наработки, позволившие ему добиться успеха в экспериментальном подтверждении уже сложившихся к тому времени представлений о силе взаимодействия электрически заряженных тел.

Ф. Эпинус, Д. Бернулли, Дж. Пристли и другие видные ученые второй половины XVIII века высказывали утверждение о том, что электрические силы подчиняются обратной квадратичной зависимости от расстояния, разделяющего заряды. Однако осуществить прямое измерение этих сил до опыта Кулона было весьма непросто.

Причина в том, что при наложении внешнего электрического поля тела поляризуются (электризуются) – в них происходит пространственное перераспределение плотности зарядов, то есть тела становятся электрическими диполями. Вследствие этого заряды на исследуемых телах будут взаимодействовать не только друг с другом, но и с различными элементами оборудования, нарушая чистоту опыта, и эту помеху необходимо учитывать. Кроме того, серьезную сложность представляло конструирование такого прибора, который позволил бы измерять малые величины сил электростатического отталкивания или притяжения.

Кулон изобрел как раз такой прибор, обладавший достаточной чувствительностью, – крутильные весы. Это удалось ему во многом благодаря тому, что ученый несколько лет посвятил исследованию механики кручения нитей из различных материалов. Именно величина закручивания металлической нити подвеса в опыте Кулона с крутильными весами легла в основу действия экспериментальной установки.

Устройство прибора

Главная часть конструкции – это подвешенное на чрезвычайно тонкой серебряной проволоке коромысло, выполненное из шеллака. На одном конце этого коромысла был укреплен позолоченный шарик, выточенный из сердцевины бузинового ствола (этот материал – очень сухой и легкий, что способствовало увеличению чувствительности прибора). Роль противовеса и стабилизатора коромысла играл закрепленный на другом конце кружок из бумаги, пропитанной скипидаром.

Весы размещались в цилиндрическом стеклянном сосуде; проволока при этом была пропущена через дополнительный узкий верхний цилиндр, поворотную крышку которого экспериментатор оснастил круговой градусной шкалой, чтобы иметь возможность сообщать проволоке подкрутку на известные углы. Основной цилиндр также был отградуирован по окружности на уровне коромысла. Крышка его имела особое отверстие, в которое мог вставляться на стержне еще один шарик – копия первого.

Описание опыта Кулона

Французский физик провел эксперимент следующим образом. Предварительно наэлектризованный шарик на стержне приводился в соприкосновение с шариком коромысла, установленного на нулевой отметке шкалы. При этом электрический заряд распределялся между шариками поровну, поскольку они имели равные диаметры и, соответственно, площади поверхностей.

Вследствие электростатического отталкивания шариков коромысло поворачивалось, закручивая серебряную нить на угол, величина которого зависит от силы отталкивания и от упругости нити, которая Кулону была хорошо известна. Затем экспериментатор придавал проволоке обратную закрутку и снова фиксировал углы отклонения коромысла по шкале на большом цилиндре. Зависимость силы от расстояния между зарядами ученый определял по соотношению между углом отклонения коромысла от нулевого положения и общим углом закручивания (с учетом подкрутки нити).

Выяснить взаимосвязь между силой отталкивания и величиной электрического заряда в опыте Кулон сумел, последовательно деля заряд наэлектризованного шарика пополам при помощи контакта с нейтральным шариком такого же размера на изолирующей рукоятке.

Установление физического закона

Прибор давал достаточно большую погрешность по ряду причин: утечка заряда, невозможность выставить коромысло точно по нулю шкалы, измерение расстояния в углах, а не напрямую между зарядами и так далее. Кулон, однако, сумел оценить и учесть эту погрешность и точно установить соотношение между электростатическими силами, величиной зарядов и расстоянием между ними. Установленный в серии опытов закон Кулона в формулировке самого ученого гласит: модуль силы, с которой взаимодействуют в вакууме два точечных электрических заряда, пропорционален произведению их величин и обратно пропорционален квадрату расстояния, на которое они удалены друг от друга. Математический вид этой зависимости таков: F

Современное определение добавляет лишь, что сила действует вдоль прямой линии, которая соединяет заряды. Кроме того, зависимость превращается в уравнение путем введения коэффициента пропорциональности, связанного с электрической постоянной: F = k(q1∙q2)/r 2 .

Опыт Кулона имел огромное значение для физики. Он впервые позволил не только выявить один из фундаментальных законов электромагнетизма, но и дать ему четкую математическую формулировку, давшую возможность количественно описывать обширный класс природных явлений.

источник

Опыт Кулона

Опыт Кулона, который помог Шарлю Огюстену де Кулону сформировать свой знаменитый закон, был поставлен в 1785 году. С тех пор многие законы электроники опираются на принципы закона Кулона.

В этой публикации я подробно расскажу об опыте, который поздним вечером 12 Июня 1785 года провел Ш.О. Кулон.

Но для начала приведем трактовку закона.

«Чем большим электрическим зарядом обладают тела и чем меньше расстояние между ними, тем с большей силой они воздействуют друг на друга. Если расстояние между телами увеличить, то эта сила ослабевает»

Это моя трактовка, призванная в общих чертах понять принцип закона Кулона.

Если среди читателей есть физики или искушенные в электрике и электронике люди, то специально для них приведу точную формулировку:

Читайте также:  Установка задних дисковых тормозов subaru

«Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними»

Так как в XVIII веке об электричестве знали только единицы, и не было вырабатывающих электрический ток устройств, Кулону необходимо было приспособление, которое могло бы измерить ток малого напряжения. Он изобрел это устройство, которое назвал «крутильные весы».

Крутильные весы состояли из следующих элементов:

1. Большая стеклянная банка, служащая оболочкой.

2. Крученая нить, проходившая через отверстие на верхушке банки.

3. На конце нити располагалась горизонтальная уравновешенная деревянная палочка, привязанная к нитке.

4. На одном конце этой палочки был легкий деревянный шарик, покрытый слоем золота.

5. На другом конце палочки был закреплен бумажный диск, пропитанный скипидаром. Диск по весу был равен шару и служил противовесом.

6. Во второе отверстие банки был просунут неподвижный стержень с еще одним шариком.

Когда Кулон заряжал оба шарика (подвижный и неподвижный) одинаковыми электрическими зарядами, то они начинали отталкиваться друг от друга, закручивая нить. Зная упругость нити и замеряя угол отклонения, Кулон определял силу взаимодействия зарядов.

Возможно, сейчас этот опыт покажется простым и легким, но помните, что дело было в 1771 году.

В этом году в России бушевала чума, унесшая тысячи жизней, а тут ученые пытались объяснить природу электричества. Это я к тому, что без тяги людей к знаниям, ходить бы нам еще в лаптях и зажигать вечерами свечи.

К слову сказать, взаимодействия электрических зарядов до Кулона наблюдали многие ученые. Среди них я бы особо выделил англичанина Кавендиша. В 1771 году, то есть примерно за 11 лет до открытия Кулона, им был открыт закон взаимодействия зарядов. Лишь через 104 года его рукопись была напечатана.

Если Вам понравилась публикация, подписывайтесь на канал, за Ваши лайки чаще показывают Наши публикации.

Для поиска публикаций через поисковые системы, просто вводите слово Вивитроника.

источник

Закон Кулона, история открытия и простое объяснение

Значение открытия фундаментального закона Кулона просто невозможно переоценить, ведь на этой базе строится вся электроника, поэтому знать и тем более понимать его просто нужно любому современному человеку. В этой статье я постараюсь максимально просто объяснить саму суть закона, так что усаживайтесь поудобней и начнем.

Историческая справка

Справедливости ради хочу сказать, что взаимодействия электрических зарядов наблюдали многие ученые и экспериментаторы еще до Ш. Кулона. Так, например, англичанин Кавендиш так же после череды экспериментов пришел к выводу, что неподвижные заряды взаимодействуют согласно определенному закону, но свои выводы он так и не обнародовал.

Кроме этого исследованиями в этой области занимались :

На самом деле этот список можно продолжать долго и все эти ученые были близки к открытию, но не сумели математически выразить свои догадки.

Кулон так же проводил скрупулезные измерения. И для своих опытов изобрел специальные крутильные весы.

Созданная конструкция обладала высокой чувствительностью и реагировала на силы порядка 10 -9 Ньютон. При приложении столь малой силы коромысло поворачивалось ровно на 1 градус. В результате этого, вычисляя угол поворота, можно было измерить приложенную силу.

Так же Кулон выдвинул идею, которая заключалась в том, что во время соприкосновения заряженного шара с незаряженным шаром заряд распределялся между ними поровну. На это действие реагировал прибор, поворачивая коромысло на некий угол.

При этом заземляя жестко зафиксированный шар, Кулон нивелировал в нем заряд. Повторяя процесс перераспределения и снятия заряда, экспериментатор уменьшал изначальный заряд незафиксированного шара кратное число раз.

Вычисляя угол отклонения после каждого такого распределения, ученый обнаружил закономерность в действии отталкивающей силы. Это и дало толчок в формулировании знаменитого закона.

Формулируем закон

Теперь давайте сформулируем закон Кулона:

Кулон осуществлял эксперименты со сферами ничтожно малых размеров в сравнении с расстояниями между ними. Такие тела в физике еще именуют точечными. И в результате было сформировано следующее определение:

В вакууме сила взаимодействия двух заряженных тел прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Как по мне не совсем понятно, хоть и кратко. Более понятно можно сформулировать так:

Чем большим зарядом обладают тела и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше сила. А если расстояние между этими телами увеличить, то сила станет меньше.

Математически формулировка выражена так :

А векторы силы направлены друг к другу, если заряды разноименные и друг от друга, если заряды одноименные.

Для работы закона нужно соблюдение ряда очень важных условий:

1. Должно быть соблюдено условие точечности зарядов.

2. Заряженные тела должны быть неподвижны.

3. Закон действителен для вакуума и воздушной среды.

Если вы внимательно посмотрите на картинку с формулой, то увидите «К» — коэффициент пропорциональности, давайте поговорим о нем несколько подробнее.

Коэффициент пропорциональности

Данный коэффициент «К» необходим для согласования соразмерностей в СИ (международной системе измерений). В данной же системе за единицу измерения заряда принимают Кулон – величина заряда, протекшего через проводник при силе тока в 1 Ампер за одну секунду.

Запомните! При взаимодействии нескольких тел, обладающих определенным зарядом в замкнутой системе, суммарная сила взаимодействия будет равна векторной сумме всех заряженных тел. В данной системе заряды никуда не деваются, а постоянно передаются от одного заряженного объекта к другому.

Читайте также:  Установка региона для сайта

Закон Кулона и диэлектрики

Эта формула справедлива в том случае, если заряды расположены в вакууме. В любой другой среде сила взаимодействия заряженных тел неизбежно уменьшается, так как проявляется эффект поляризации. Причем для каждой среды изменение происходит пропорционально определенной величине, которая получила название – диэлектрическая постоянная (проницаемость). Учитывая данный параметр, коэффициент проницаемости принимает вид

Ограничение в применении

Хочу особо подчеркнуть, что при особо малых расстояниях (когда взаимодействуют элементарные частицы) порядка 10 -18 метров, строго говоря, закон Кулона не работает.

Кроме этого данный закон имеет явные нарушения в сильных электромагнитных полях (10-18 В/м). В представленной среде кулоновский потенциал снижается не обратно пропорционально, а экспоненциально.

Закон Кулона — это первый количественный фундаментальный закон, обоснованный математически, и его значение очень трудно переоценить. Именно с открытия закона можно сказать, что стартовала эпоха изучения электромагнетизма.

Понравилась статья, тогда не забудьте подписаться и поставить палец вверх. Тогда вы точно не пропустите новых еще более интересных и познавательных выпусков! Спасибо за внимание!

источник

Установка кулона опыт кулона

Компьютерная программа моделирует установку Кулона с крутильными весами и позволяет провести ряд экспериментов по теме «Взаимодействие точечных заряженных тел. Закон Кулона».

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов, отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью.

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока ( ампер ) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .

Коэффициент в системе СИ обычно записывают в виде:

В системе СИ элементарный заряд равен: = 1,602177∙10 –19 Кл ≈ 1,6∙10 –19 Кл.

Модель позволяет провести опыт Кулона с крутильными весами. Предлагается два варианта проведения эксперимента:

  • Упрощенный вариант опыта ( Закон Кулона ). Экспериментатор имеет возможность выбора численных значений величины зарядов и расстояния между ними. Пользователь может также изменять расстояние между шариками крутильных весов, «закручивая» нить на индикаторе весов.
  • Эксперимент Кулона . В данном случае модель приближена к реальному эксперименту. Заряд центрального тела можно менять, используя заряженные тела вокруг. При щелчке по центральному заряженному телу, его заряд переносится на одно из тел в крутильных весах. Выбирая режим «Зависимость силы от заряда» экспериментатор может зафиксировать расстояние между заряженными шариками в установке. При дальнейшем изменении заряда одного из шариков меняться будет только сила взаимодействия (и сила скручивания нити соответственно), что будет отражаться как в окне вывода текущего значения силы.

источник

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Закон Кулона

Содержание

Закон Кулона

В 1785 г. французский физик Шарль Кулон экспериментально установил основной закон электростатики – закон взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел или частиц.

Закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов – закон Кулона – основной (фундаментальный) физический закон и может быть установлен только опытным путем. Ни из каких других законов природы он не вытекает.

Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:

где k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбора единиц электрического заряда. В системе СИ \(

k = \dfrac<1> <4 \pi \cdot \varepsilon_0>= 9 \cdot 10^9\) Н·м 2 /Кл 2 , где ε – электрическая постоянная, равная 8,85·10 -12 Кл 2 /Н·м 2 .

сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эту силу называют кулоновской.

Закон Кулона в данной формулировке справедлив только для точечных заряженных тел, т.к. только для них понятие расстояния между зарядами имеет определенный смысл. Точечных заряженных тел в природе нет. Но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно, как показывает опыт, не влияют на взаимодействие между ними. В этом случае тела можно рассматривать как точечные.

Легко обнаружить, что два заряженных шарика, подвешенные на нитях, либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Отсюда следует, что силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. Подобные силы называют центральными. Если через \(

Читайте также:  Установка катушки зажигания от оки на урале

\vec F_<1,2>\) обозначить силу действующую на первый заряд со стороны второго, а через \(

\vec F_<2,1>\) – силу, действующую на второй заряд со стороны первого (рис. 1), то, согласно третьему закону Ньютона, \(

\vec F_ <1,2>= -\vec F_<2,1>\) . Обозначим через \(\vec r_<1,2>\) радиус-вектор, проведенный от второго заряда к первому (рис. 2), тогда

Если знаки зарядов q1 и q2 одинаковы, то направление силы \(

\vec F_<1,2>\) совпадает с направлением вектора \(

\vec r_<1,2>\) ; в противном случае векторы \(

\vec r_<1,2>\) направлены в противоположные стороны.

Зная закон взаимодействия точечных заряженных тел, можно вычислить силу взаимодействия любых заряженных тел. Для этого тела нужно мысленно разбить на такие малые элементы, чтобы каждый из них можно было считать точечным. Складывая геометрически силы взаимодействия всех этих элементов друг с другом, можно вычислить результирующую силу взаимодействия.

Открытие закона Кулона – первый конкретный шаг в изучении свойств электрического заряда. Наличие электрического заряда у тел или элементарных частиц означает, что они взаимодействуют друг с другом по закону Кулона. Никаких отклонений от строгого выполнения закона Кулона в настоящее время не обнаружено.

Опыт Кулона

Необходимость проведения экспериментов Кулона была вызвана тем, что в середине XVIII в. накопилось много качественных данных об электрических явлениях. Возникла потребность дать им количественную интерпретацию. Поскольку силы электрического взаимодействия были относительно невелики, возникла серьезная проблема в создании метода, который позволил бы произвести замеры и получить необходимый количественный материал.

Французский инженер и ученый Ш. Кулон предложил метод измерения малых сил, который основывался на следующем экспериментальном факте, обнаруженном самим ученым: сила, возникающая при упругой деформации металлической проволоки, прямо пропорциональна углу закручивания, четвертой степени диаметра проволоки и обратно пропорциональна ее длине:

F_ = k \cdot \dfrac \cdot \varphi\) ,

где d – диаметр, l – длина проволоки, φ – угол закручивания. В приведенном математическом выражении коэффициент пропорциональности k находился опытным путем и зависел от природы материала, из которого изготавливалась проволока.

Данная закономерность была использована в так называемых крутильных весах. Созданные весы позволили измерить ничтожно малые силы порядка 5·10 -8 Н.

Крутильные весы (рис. 3, а) состояли из легкого стеклянного коромысла 9 длиной 10,83 см, подвешенного на серебряной проволоке 5 длиной около 75 см, диаметром 0,22 см. На одном конце коромысла располагался позолоченный бузиновый шарик 8, а на другом – противовес 6 – бумажный кружок, смоченный в скипидаре. Верхний конец проволоки прикреплялся к головке прибора 1. Здесь же имелся указатель 2, с помощью которого отсчитывался угол закручивания нити по круговой шкале 3. Шкала была проградуирована. Вся эта система размещалась в стеклянных цилиндрах 4 и 11. В верхней крышке нижнего цилиндра имелось отверстие, в которое вставлялась стеклянная палочка с шариком 7 на конце. В опытах применялись шарики с диаметрами в пределах 0,45 – 0,68 см.

Перед началом эксперимента указатель головки устанавливался на нулевой отметке. Затем шарик 7 заряжался от предварительно наэлектризованного шарика 12. При соприкосновении шарика 7 с подвижным шариком 8 происходило перераспределение заряда. Однако из-за того, что диаметры шариков были одинаковыми, одинаковыми были и заряды на шариках 7 и 8.

Вследствие электростатического отталкивания шариков (рис. 3, б) коромысло 9 поворачивалось на некоторый угол γ (по шкале 10). С помощью головки 1 это коромысло возвращалось в исходное положение. По шкале 3 указатель 2 позволял определять угол α закручивания нити. Общий угол закручивания нити φ = γ + α. Сила же взаимодействия шариков была пропорциональна φ, т. е. по углу закручивания можно судить о величине этой силы.

При неизменном расстоянии между шариками (оно фиксировалось по шкале 10 в градусной мере) исследовалась зависимость силы электрического взаимодействия точечных тел от величины заряда на них.

Для определения зависимости силы от заряда шариков Кулон нашел простой и остроумный способ изменения заряда одного из шариков. Для этого он соединял заряженный шарик (шарики 7 или 8) с таким же по размерам незаряженным (шарик 12 на изолирующей ручке). Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в 2, 4 и т. д. раз. Новое значение силы при новом значении заряда опять определялось экспериментально. При этом выяснилось, что сила прямо пропорциональна произведению зарядов шариков:

Зависимость силы электрического взаимодействия от расстояния была обнаружена следующим образом. После сообщения шарикам заряда (он был у них одинаковый) коромысло отклонялось на некоторый угол γ. Затем поворотом головки 1 уменьшался этот угол до γ1. Общий угол закручивания φ1 = α1 + (γγ1)(α1 – угол поворота головки). При уменьшении углового расстояния шариков до γ2 общий угол закручивания φ2 = α2 + (γγ2) . Было замечено, что, если γ1 = 2γ2, ТО φ2 = 4φ1, т. е. при уменьшении расстояния в 2 раза сила взаимодействия возрастала в 4 раза. Во столько же раз увеличился момент силы, так как при деформации кручения момент силы прямо пропорционален углу закручивания, а значит, и сила (плечо силы оставалось неизменным). Отсюда вытекает вывод: сила взаимодействия двух заряженных шариков обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

источник