Явлението електростатично привличане е било известно на древногръцките учени още преди новата ера. Те са знаели например, че ако разтъркаш кехлибар в котешка кожа, а стъкло в коприна, то помежду им възникват сили на привличане. Освен това на тях също им било известно, че с помощта на такива предмети може да се причини въздействие и на други предмети: например, ако докоснем кехлибара до трошичка от корк, то тя ще се отблъсква от другите коркови частици, към които се е докосвал кехлибара и привлича от тези, до които се е докосвало стъклото. Днес ние знаем, че подобно привличане и отблъскване е проява на статическото електричество. Ние наблюдаваме електростатически явления в ежедневието, когато например ни се налага буквално да разлепваме една от друга току-що изпраните и извадени от сушилнята дрехи, когато по никакъв начин не можем да приведем във форма наелектризираните и буквално настръхнали коси.
Електростатиката в съвременните разбирания започва с осъзнаването на факта, че подобно поведение (привличане и отблъскване), наблюдавано още от древните гърци, се явява следствие от съществуването в природата на два вида електрически заряди – положителни и отрицателни. В атома те са разделени. Положителните заряди са съсредоточени в атомното ядро – техни носители се явяват протоните, а електроните, явяващи се носители на отрицателните заряди, са разположени около ядрото(виж. Атома на Бор). Първият предложил идеята за това, че в природата съществуват само два типа електрически заряди, и само те са отговорни за наблюдаваните от нас електростатически явления е американският държавен деец и учен Бенджамин Франклин (Benjamin Franklin, 1706–1790). Казано на съвременен език, неговите разсъждения се свеждали до това, че ако отстраним част от отрицателно заредените електрони от веществото, то ще стане положително заредено, доколкото в нормално състояние именно отрицателният заряд на електроните компенсира положителният заряд на ядрата. Ако пък към веществото в нормално състояние се добавят допълнителни електрони, то ще придобие отрицателен заряд.
Знаейки за съществуването на електричеството в продължение на хиляди години, човек е пристъпил към научното му изучаване едва в XVIII век. (Любопитното е, че самите учени през тази епоха, заемайки се с този проблем, са отделяли електричеството в отделна от физиката наука, а себе си са наричали “електричари”.) Един от водещите първоизследователи на електричеството се явява Шарл Огюстен дьо Кулон. Грижливо изследвайки силите на взаимодействие между телата, носещи в себе си различни електростатически заряди, той формулирал закон, носещ в момента неговото име. Основно той провеждал опитите си по следният начин: различните електростатически заряди се предавали на две мънички топчета, провесени на изключително тънки нишки, след което те били доближавани. При достатъчно приближаване топчетата започвали да се привличат едно друго (при противоположна поларност на електрическите заряди) или да се отблъскват (в случаите на едноименни заряди). В резултат нишките се отклонявали от вертикалата на достатъчно голям ъгъл, при който силите на електростатичното привличане или отблъскване се уравновесявали със силите на земното претегляне. Измервайки ъгълът на отклонението и знаейки масата на топчетата и дължините на нишките, Кулон е изчислил силите на електростатично взаимодействие при различно раздалечаване на топчитата едно от друго и на базата на тези данни е извел емпирическата формула:
F = kQq/D 2
Където Q и q са величините на електростатичните заряди, D - разстоянието между тях, а к – определена по експериментален път константа на Кулон.
Веднага ще отбележим два интересни момента в закона на Кулон. Първо, по своята математическа форма той повтаря закона за всеобщото привличане на Нютон, ако в последният заменим масите със заряди, а константата на Нютон с константана на Кулон. И за тази прилика са налице всички причини. Съгласно съвременната квантова теория на полето и електрическите и гравитационните полета възникват, когато физическите тела разменят помежду си лишени от масата при покой елементарни частици – фотони или гравитони съответно. По този начин, независимо от привидните разлики в природата на гравитацията и електричеството, тези две сили имат много общи неща.
Втората важна забележда се отнася до константата на Кулон. Когато шотландският физик - теоретик Джеймс Кларк Максуел е извел системата уравнения на Максуел за общото описание на електромагнитните полета, се изаснява, че константата на Кулон е пряко свързана със скоростта на светлината с. И накрая Алберт Айнщайн доказва, че с играе ролята на фундаментална световна константа в рамките на теорията на относителността. По такъв начин може да се проследи как най-абстрактните и универсални теории на съвременната наука поетапно са се развивали, попивайки в себе си по-рано получените резултати, започвайки с прости изводи, базирайки се на основата на елементарни физически опити
Опит на Кулон
През XVIII в. френският физик Шарл Кулон извършва първите точни количествени измервания на електричните сили. Опитна постановка, наречена Кулонова везна е показана по-долу. В стъклен съд на тънка нишка е окачена хоризонтална стъклена пръчка. На единия край на пръчката е поставено позлатено топче А, а на другия край – балансираща теглилка Т. На известно разстояние от топчето А е закрепено неподвижно такова топче В. Двете топчета се зареждат с едноименни електрични заряди. Неподвижното топче В отблъсква топчето А с електрична сила F и стъклента пръчка се завърта. За да се възстанови първоначалното положение на пръчката, трябва да се усуче нишката в противоположна посока на определен ъгъл . Тогава еластичната сила, с която усуканата нишка действа на пръчката, уравновесява електричната сила F. Като се измери ъгълът на усукване на нишката, може да се определи силата F.
Кулон прави опит при постоянен заряд на двете топчета, като променя разстоянието между тях. Той установява, че когато разстоянието нарасне 2 пъти, силата намялава 22=4 пъти. При 3 пъти по-голямо разстояние силата е 32=9 пъти по-малка. Оттук следва изводът, че електричната сила F е обратнопропорционална на квадрата на разстоянито r между зарядите
След това Кулон поддържа постоянно разстоянието между топчетата, а променя заряда на топчето В. Това става с помоща на трето топче С, еднакво с първите две. Когато незареденото топче С се допре до В, зарядите се разпределят по равно между двете топчета, тъй като те са еднакви. Така след отстраняване на С зарядът на В намалява наполовина. Измерванията показват, че електричната сила също намаля 2 пъти. Чрез подобни опити Кулон установява, че електричната сила е правопропорционална на произведението от големините на q1 и q2
Покажи участието
