Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
Кулон заряжал бузиновый шарик наэлектризованной стеклянной палочкой, ждал успокоения колебаний коромысла и отмечал по шкале положение его равновесия. Сделав это, он подносил на некоторое расстояние к бузиновому шарику другой шарик, заряженный одноименным электричеством. Затем приближал его вдоль линии, перпендикулярной к коромыслу, изменяя направление перемещения по мере поворота коромысла так, чтобы подносимый шарик двигался по дуге окружности.
По мере продвижения заряженного шарика электрические силы отталкивали бузиновый шарик, вызывая поворот коромысла. Дождавшись успокоения колебаний коромысла, он измерял расстояние между
Математическое выражение закона отталкивания одноименных электрических зарядов совпало по форме с законом тяготения. Кулон предполагал это. Ведь он был идейным наследником Ньютона. Но теперь гипотеза трансформировалась в опытный факт!
Труднее было с установлением закона притяжения разноименных зарядов. Как следовало ожидать, сила притяжения возрастала по мере сближения разноименных зарядов и иногда приводила к их соприкосновению.
Кулону все же удалось несколько раз уравновесить упругую силу подвеса крутильных весов и силу притяжения зарядов. Но положение равновесия было неустойчивым и расстояние быстро начинало изменяться в ту или другую сторону — действие электрического заряда и упругость нити подвеса конкурировали между собой.
Тогда Кулона осенила блестящая идея. Он придумал для измерения малых притягивающих сил способ, известный как «метод колебаний». Теперь не нужно стремиться к достижению равновесия. Кулон начал применять свои крутильные весы в качестве крутильного маятника и измерять зависимость периода его колебаний от действия силы, порождаемой близким заряженным шариком.
Здесь Кулон следовал Галилею. Галилей пренебрегал второстепенным. И Кулон понимал, что силу тяжести можно не учитывать. Ведь она направлена вдоль нити и уравновешена ее упругостью. Но сила упругости нити и инертная масса коромысла, взаимодействуя между собой, образуют колебательную систему — крутильный маятник. Для того, чтобы применять его для измерения внешних сил нужно, чтобы сила упругости нити была меньше измеряемой силы. Достаточно тонкие и длинные нити позволяют выполнить это условие.
Нужно еще, чтобы измеряемая сила была связана с периодом маятника по возможности простой зависимостью.
Галилей ограничивал свои опыты условием: величина колебаний маятника должна быть достаточно малой. В этом случае Галилей мог заменить синус угла отклонения в выражении периода колебаний маятника самим углом. Это же сделал Кулон. Он проводил опыты с малыми зарядами, когда силы их взаимного притяжения малы.
Выбирая заряды Кулон, по существу, добивался не малости зарядов, а малости вызываемых ими отклонений крутильного маятника.
Проверив выполнение своих требований, он слегка отклонял коромысло и наблюдал, как оно колеблется при отсутствии наэлектризованной палочки и при приближении на определенное расстояние заряженного шарика, находящегося на ее конце. Измерив период колебаний коромысла он вычислил его зависимость от величины зарядов и расстояния между ними и снова пришел к ожидаемому результату: сила взаимодействия разноименных зарядов пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Затем Кулон взялся за исследование магнитных сил. Мы знаем, что было известно Кулону: при намагничивании выявляют свое присутствие две магнитные жидкости. Они разбегаются к противоположным концам намагничиваемого стержня, образуя его противоположные полюсы.
Некоторые намагниченные предметы быстро лишаются магнитных свойств. Это происходит потому, что при удалении внешнего магнита их магнитные жидкости вновь перемешиваются и их магнетизм взаимно гасится. Другие намагниченные предметы остаются магнитами и после того, как вызвавший их намагничивание внешний магнит удален. Какая-то внутренняя сила неизвестной природы препятствует в них смешиванию разделенных магнитных флюидов. Мы сейчас называем силу, удерживающую намагниченный предмет в намагниченном состоянии, коэрцитивной силой.
Кулон знал, что силы взаимодействия полюсов магнитов подобны силам взаимодействия электрических зарядов: для одноименных магнитных полюсов это силы отталкивания, для разноименных — силы притяжения. Он предполагал, что математическая форма зависимости этих сил от величины «магнитных зарядов» и от расстояния между ними такая же как у электрических зарядов.
Это следовало проверить опытом. Путем измерения величины силы при помощи крутильных весов.
Возникало, однако, затруднение. Его можно было предвидеть. Ведь магнитные полюсы невозможно изолировать. Мы знаем, что об этом, как об известном, писал еще в 16-ом веке Перегрино. Сломав магнит, ты получишь два меньших магнита, каждый с обоими полюсами.
Естественно, что при приближении одного магнита к другому они одновременно будут испытывать отталкивание одноименных полюсов и притяжение разноименных.
Можно ли предвидеть результат?
Конечно. Если оба магнита подвешены на длинных тонких нитях, образующих крутильные весы, эти магниты прежде всего начнут поворачиваться. Как? Так, чтобы пары разноименных полюсов, которые в первый момент ближе между собой, повернулись друг к другу. После этого магниты сблизятся и соприкоснутся этими противоположными полюсами, если нити укреплены достаточно близко одна от другой.
Произойдет маленькое чудо. Вместо двух отдельных магнитов возникнет один с двумя разноименными полюсами на концах. В месте соприкосновения невозможно обнаружить два разноименных полюса. Они исчезнут. Их невозможно обнаружить и при помощи третьего вспомогательного магнита.
Подумаем, как Кулон вышел из этого затруднения.
Попытки установить величину силы магнитного взаимодействия расчетным путем приводили к огромным трудностям. Ведь истинное распределение магнитных флюидов внутри магнитов неизвестно.
Кулон проявил здесь остроумие экспериментатора, достойное Галилея. Он изготовил пару тонких длинных магнитов с шариками на концах и представил их себе, как магнитную гантель — аналогичную гимнастическому прибору: паре шаров, соединенных тонкой перекладиной. Он предположил, что магнитные флюиды, подобно разноименным магнитным зарядам, полностью сосредоточены в центрах шаров.
Теперь остается следовать указанию Галилея: оставить главное и пренебречь второстепенным.
Нужно представить, что две гантели сближены разноименными полюсами, но не до соприкосновения. Тогда взаимодействие между этими полюсами будет велико. Они будут сильно притягивать друг друга. Взаимодействием внешних более удаленных полюсов можно пренебречь. (Или вычислить поправки, вызванные их взаимодействием. Математикам удается провести такие вычисления.)