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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Grundgesetz der Elektrostatik. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Elektrische Phänomene verloren allmählich ihren ursprünglichen Charakter isolierter, amüsanter Naturphänomene und bildeten allmählich eine Art Einheit, die bestehende Theorien mit mehreren Grundprinzipien zu überdecken versuchten. Es war an der Zeit, von qualitativer zu quantitativer Forschung überzugehen. Diese Forschungsrichtung kommt in der Arbeit des St. Petersburger Akademikers F. Epinus (1859–1724) von 1802 deutlich zum Ausdruck. Aepinus stützt seine mathematische Betrachtung auf folgende Prinzipien: Jeder Körper hat in seinem natürlichen Zustand eine genau definierte Menge an Elektrizität. Teilchen des elektrischen Fluids werden gegenseitig abgestoßen und von gewöhnlicher Materie angezogen. Elektrische Effekte treten auf, wenn die Menge an elektrischem Fluid im Körper größer oder kleiner ist als im natürlichen Zustand. Aepinus macht die Vermutung: „... Ich traue mich noch immer nicht, diese funktionalen Abhängigkeiten zu bestimmen, aber wenn es notwendig wäre, zwischen verschiedenen Funktionen zu wählen, dann würde ich gerne argumentieren, dass sich diese Größen umgekehrt mit den Quadraten der Entfernungen ändern Dies kann mit einiger Plausibilität angenommen werden, denn für eine solche Abhängigkeit spricht offenbar die Analogie zu anderen Naturphänomenen. Auf Aepinus folgte Henry Cavendish (1731–1810), der in seiner Arbeit von 1771 Aepinus 'Hypothesen mit einer Änderung akzeptiert: Es wird angenommen, dass die Anziehung zweier elektrischer Ladungen zu einem gewissen Grad der Entfernung umgekehrt proportional ist, noch nicht spezifiziert. Cavendish kommt mit mathematischen Argumenten zu dem Schluss: Wenn die Wechselwirkungskraft elektrischer Ladungen dem Gesetz des umgekehrten Quadrats gehorcht, dann ist „fast die gesamte“ elektrische Ladung auf der Oberfläche des Leiters konzentriert. Damit wird ein indirekter Weg zur Feststellung des Ladungswechselwirkungsgesetzes skizziert. Die Hauptschwierigkeit bei der Aufstellung des "elektrischen Kraftgesetzes" bestand darin, eine experimentelle Situation zu finden, in der die ponderomotorischen Kräfte mit den zwischen Elementarladungen wirkenden Kräften zusammenfallen würden. Vielleicht hat der englische Naturforscher J. Robison (1739–1805) zuerst den richtigen Zugang zu diesem Problem gefunden. Die von Robison verwendete experimentelle Methode basierte auf der Idee, dass wechselwirkende Ladungen als Punktladungen angesehen werden können, wenn die Abmessungen der Kugeln, auf denen sie lokalisiert sind, viel kleiner sind als der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Kugeln. Die Anlage, mit der der Engländer Messungen vornahm, ist in seinem grundlegenden Werk „The System of Mechanical Philosophy“ beschrieben. Das Werk wurde nach seinem Tod im Jahr 1822 veröffentlicht. Angesichts der Messfehler kam Robison zu dem Schluss: "Die Wirkung zwischen den Kugeln ist genau proportional zum umgekehrten Quadrat des Abstands zwischen ihren Mittelpunkten." Das Grundgesetz der Elektrostatik trägt jedoch nicht den Namen Robison. Tatsache ist, dass der Wissenschaftler erst 1801 über die erzielten Ergebnisse berichtete und sie noch später ausführlich beschrieb. Damals die Arbeiten des französischen Wissenschaftlers Anhänger. Charles Augustin Coulomb (1736–1806) wurde in Angoulême im Südwesten Frankreichs geboren. Nach der Geburt von Charles zog die Familie nach Paris. Zunächst besuchte der Junge das College of the Four Nations, auch bekannt als College of Mazarin. Bald ging sein Vater bankrott und verließ seine Familie im südfranzösischen Montpellier. Der Konflikt zwischen Mutter und Sohn führte dazu, dass Charles die Hauptstadt verließ und zu seinem Vater zog. Im Februar 1757 las ein junger Mathematikliebhaber auf einem Treffen der Royal Scientific Society of Montpellier sein erstes wissenschaftliches Werk, „Geometrischer Aufsatz über mittlere Proportionalkurven“. Anschließend beteiligte sich Coulomb aktiv an der Arbeit der Gesellschaft und legte fünf weitere Memoiren vor – zwei in Mathematik und drei in Astronomie. Im Februar 1760 trat Charles in die Mézières School of Military Engineers ein. Im November des folgenden Jahres absolvierte Charles die Schule und wurde einem großen Hafen an der Westküste Frankreichs, Brest, zugeteilt. Dann kam er nach Martinique. Während der acht Jahre, die er dort verbrachte, wurde er mehrmals schwer krank, kehrte aber jedes Mal zu seinen offiziellen Aufgaben zurück. Diese Krankheiten blieben nicht unbemerkt. Nach seiner Rückkehr nach Frankreich konnte Coulomb nicht mehr als völlig gesunder Mensch angesehen werden. Trotz all dieser Schwierigkeiten erfüllte Coulomb seine Aufgaben sehr gut. Sein Erfolg beim Bau der Festung am Mont Garnier war durch eine Beförderung gekennzeichnet: Im März 1770 erhielt er den Rang eines Kapitäns – damals konnte man von einer sehr schnellen Beförderung sprechen. Bald darauf erkrankte Coulomb erneut schwer und erstattete schließlich Anzeige mit der Bitte um Überstellung nach Frankreich. Nach der Rückkehr in seine Heimat wurde Coulomb Bushen zugeteilt. Hier schließt er ein Studium ab, das er während seines Dienstes in Westindien begonnen hat. Viele der Ideen, die er in seinen allerersten wissenschaftlichen Arbeiten formuliert hat, gelten noch immer als grundlegend für Spezialisten der Festigkeitslehre. 1774 wurde Coulomb in den großen Hafen von Cherbourg versetzt, wo er bis 1777 diente. Dort war Coulomb mit der Reparatur einer Reihe von Befestigungen beschäftigt. Diese Arbeit ließ viel Freizeit, und der junge Wissenschaftler setzte seine wissenschaftliche Forschung fort. Das Hauptthema, das Coulomb damals interessierte, war die Entwicklung eines optimalen Verfahrens zur Herstellung von Magnetnadeln für genaue Messungen des Erdmagnetfelds. Dieses Thema wurde in einem von der Pariser Akademie der Wissenschaften ausgeschriebenen Wettbewerb vergeben. Zwei Gewinner des Wettbewerbs von 1777 wurden sofort bekannt gegeben - der schwedische Wissenschaftler van Schwinden, der die Arbeit bereits für den Wettbewerb eingereicht hatte, und Coulomb. Für die Wissenschaftsgeschichte ist jedoch nicht das den Magnetnadeln gewidmete Kapitel von Coulombs Memoiren von größtem Interesse, sondern das nächste Kapitel, in dem die mechanischen Eigenschaften der Fäden analysiert werden, an denen die Pfeile aufgehängt sind. Der Wissenschaftler führte eine Reihe von Experimenten durch und stellte die allgemeine Reihenfolge der Abhängigkeit des Moments der Torsionsverformungskraft vom Drehwinkel des Fadens und von seinen Parametern fest: Länge und Durchmesser. Die geringe Elastizität von Seidenfäden und Haaren gegenüber Torsion ermöglichte es, das auftretende Moment elastischer Kräfte zu vernachlässigen und anzunehmen, dass die Magnetnadel den Deklinationsänderungen exakt folgt. Dieser Umstand gab Coulomb den Anstoß, die Torsion zylindrischer Metallfäden zu untersuchen. Die Ergebnisse seiner Versuche wurden in der 1784 fertiggestellten Arbeit „Theoretische und experimentelle Untersuchungen über die Torsionskraft und Elastizität metallischer Drähte“ zusammengefasst. Die von Coulomb für den Wettbewerb von 1777 durchgeführte Untersuchung der Torsion dünner Metallfäden hatte eine wichtige praktische Konsequenz – die Schaffung einer Torsionswaage. Mit diesem Instrument konnten kleine Kräfte unterschiedlicher Art gemessen werden, und es bot eine im XNUMX. Jahrhundert beispiellose Empfindlichkeit. Nachdem Coulomb das genaueste physische Gerät entwickelt hatte, begann er, nach einer würdigen Anwendung dafür zu suchen. Der Wissenschaftler beginnt mit der Arbeit an den Problemen der Elektrizität und des Magnetismus. Das wichtigste Ergebnis Coulombs auf dem Gebiet der Elektrizität war die Aufstellung des Grundgesetzes der Elektrostatik – des Gesetzes der Wechselwirkung bewegungsloser Punktladungen. Der Wissenschaftler formuliert das Grundgesetz der Elektrizität wie folgt: "Die Abstoßungskraft zweier kleiner Kugeln, die durch Elektrizität gleicher Art elektrisiert werden, ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Mittelpunkten der Kugeln." Coulomb begann damit, die Abhängigkeit der Abstoßungskraft gleicher Ladungen von der Entfernung zu messen und führte zahlreiche Experimente durch. Der Wissenschaftler gibt die Ergebnisse von drei Messungen an, bei denen die Abstände zwischen den Ladungen mit 36:18:172 und die entsprechenden Abstoßungskräfte mit 36:144:5751 in Beziehung gesetzt wurden, das heißt, die Kräfte sind fast genau umgekehrt proportional zu den Quadrate der Entfernungen. In Wirklichkeit weichen die experimentellen Daten etwas vom theoretischen Gesetz ab. Als Hauptursache für die Diskrepanz sieht Coulomb neben einigen bei der Berechnung vorgenommenen Vereinfachungen den Stromverlust während des Experiments. Schwieriger gestaltete sich die Aufgabe, die Anziehungskraft zu messen, da es sehr schwierig ist, zu verhindern, dass die sich bewegende Kugel der Waage mit einer anderen Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen in Kontakt kommt. Dennoch gelang es Coulomb immer wieder, ein Gleichgewicht zwischen der Anziehungskraft zweier Kugeln und der Gegenkraft des gedrehten Fadens herzustellen. Die erhaltenen experimentellen Daten zeigten, dass die Anziehungskraft auch dem Gesetz des umgekehrten Quadrats gehorcht. Aber auch mit diesen Ergebnissen war Coulomb nicht zufrieden. „Um dieses Gesetz zu bestätigen, das, wie er voraussah, eine grundlegende Rolle in der Elektrizitätstheorie spielen würde“, schreibt M. Gliozzi, „griff Coulomb auf eine neue originelle Methode zur Messung kleiner Kräfte zurück, die bereits früher zur Messung verwendet worden war die magnetische Kraft einer Stahlspitze Diese Methode hat sich als sehr effektiv erwiesen und ist heute als „Methode der Schwingung“ bekannt Schwerkraft an einem bestimmten Ort, also hängt die Schwingungsfrequenz einer elektrifizierten Nadel, die in einer horizontalen Ebene schwingt, von der Intensität der auf sie einwirkenden elektrischen Kraft ab, so dass diese Kraft aus der Anzahl der Schwingungen pro Sekunde ermittelt werden kann. Um dies zu implementieren Plan, Coulomb brachte einen isolierenden Stab zum Schwingen, der am Ende mit einer kleinen vertikal geladenen Platte ausgestattet war und sich vor einer isolierten Metallkugel befand, die entgegengesetzt zur Ladung der Platte geladen und so angeordnet war, dass sie einen von ihrem horizontalen Durchmesser hatte ov geht durch die Mitte der Platte, wenn sie im Gleichgewicht ist. Auf diese Weise wurde auch das Abstandsquadratgesetz vollständig bestätigt.“ Damit legte Coulomb die Grundlagen der Elektrostatik. Er erzielte experimentelle Ergebnisse von grundlegender und angewandter Bedeutung. Für die Geschichte der Physik waren seine Experimente mit Torsionswaagen auch deshalb von großer Bedeutung, weil sie den Physikern eine Methode zur Bestimmung der Einheit der elektrischen Ladung über die in der Mechanik verwendeten Größen Kraft und Weg an die Hand gegeben haben, die es ermöglichte, elektrische Untersuchungen quantitativ durchzuführen Phänomene. Autor: Samin D. K.
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