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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Legge fondamentale dell'elettrostatica. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti I fenomeni elettrici persero gradualmente il loro carattere originario di fenomeni naturali isolati e divertenti e gradualmente formarono una sorta di unità, che le teorie esistenti cercarono di coprire con diversi principi di base. Era giunto il momento di passare dalla ricerca qualitativa a quella quantitativa. Questa direzione di ricerca è chiaramente espressa nel lavoro del 1859 dell'accademico di San Pietroburgo F. Epinus (1724–1802). Aepinus basa la sua considerazione matematica sui seguenti principi: ogni corpo ha nel suo stato naturale una ben definita quantità di elettricità. Le particelle del fluido elettrico sono reciprocamente respinte e attratte dalla materia ordinaria. Gli effetti elettrici compaiono quando la quantità di fluido elettrico nel corpo è maggiore o minore di quella che dovrebbe essere nello stato naturale. Aepinus fa l'ipotesi: "... io ancora non oso determinare queste dipendenze funzionali. Tuttavia, se fosse necessario fare una scelta tra diverse funzioni, allora sosterrei volentieri che queste quantità cambiano inversamente con i quadrati delle distanze Questo può essere assunto con una certa plausibilità, perché a favore di tale dipendenza, a quanto pare, parla l'analogia con altri fenomeni naturali. Aepinus fu seguito da Henry Cavendish (1731–1810), che nel suo articolo del 1771 accetta le ipotesi di Aepinus con una modifica: si presume che l'attrazione di due cariche elettriche sia inversamente proporzionale a un certo grado di distanza, non ancora specificato. Cavendish, usando il ragionamento matematico, conclude: se la forza di interazione delle cariche elettriche obbedisce alla legge dell'inverso del quadrato, allora "quasi tutta" la carica elettrica è concentrata sulla superficie stessa del conduttore. Si delinea così un modo indiretto di stabilire la legge di interazione delle cariche. La principale difficoltà nello stabilire la "legge della forza elettrica" è stata quella di trovare una situazione sperimentale in cui le forze ponderomotive coincidessero con le forze agenti tra cariche elementari. Forse l'approccio corretto a questo problema è stato trovato prima di tutto dal naturalista inglese J. Robison (1739–1805). Il metodo sperimentale utilizzato da Robison si basava sull'idea che le cariche interagenti possono essere considerate cariche puntiformi quando le dimensioni delle sfere su cui sono localizzate sono molto inferiori alla distanza tra i centri delle sfere. L'installazione con cui l'inglese effettuava le misurazioni è descritta nella sua opera fondamentale "The System of Mechanical Philosophy". L'opera fu pubblicata dopo la sua morte, nel 1822. Dati gli errori di misurazione, Robison ha concluso: "L'azione tra le sfere è esattamente proporzionale al quadrato inverso della distanza tra i loro centri." Tuttavia, la legge fondamentale dell'elettrostatica non porta il nome di Robison. Il fatto è che lo scienziato riferì dei risultati ottenuti solo nel 1801 e li descrisse in dettaglio anche in seguito. A quel tempo, le opere dello scienziato francese Pendente. Charles Augustin Coulomb (1736–1806) nacque ad Angouleme, nel sud-ovest della Francia. Dopo la nascita di Carlo, la famiglia si trasferì a Parigi. In un primo momento, il ragazzo frequentò il Collegio delle Quattro Nazioni, noto anche come Collegio di Mazzarino. Ben presto suo padre fallì e lasciò la sua famiglia a Montpellier, nel sud della Francia. Il conflitto tra madre e figlio portò al fatto che Carlo lasciò la capitale e si trasferì da suo padre. Nel febbraio 1757, in una riunione della Royal Scientific Society di Montpellier, un giovane amante della matematica lesse il suo primo lavoro scientifico, "Geometric Essay on Mean Proportional Curves". Successivamente, Coulomb prese parte attiva al lavoro della società e presentò altre cinque memorie: due in matematica e tre in astronomia. Nel febbraio 1760, Carlo entrò nella Scuola degli Ingegneri Militari di Mézières. Nel novembre dell'anno successivo, Carlo si diplomò alla Scuola e fu assegnato a un importante porto della costa occidentale della Francia, Brest. Poi è venuto in Martinica. Durante gli otto anni trascorsi lì, si ammalò gravemente più volte, ma ogni volta tornò alle sue funzioni ufficiali. Queste malattie non sono passate inosservate. Dopo essere tornato in Francia, Coulomb non poteva più essere considerato una persona completamente sana. Nonostante tutte queste difficoltà, Coulomb ha svolto molto bene i suoi doveri. Il suo successo nella costruzione di un forte a Mont Garnier fu segnato da una promozione: nel marzo 1770 ricevette il grado di capitano - a quel tempo poteva essere considerata una promozione molto rapida. Ben presto Coulomb si ammalò di nuovo gravemente e, infine, presentò denuncia con richiesta di trasferimento in Francia. Dopo essere tornato in patria, Coulomb fu assegnato a Bushen. Qui completa uno studio iniziato durante il suo servizio nelle Indie occidentali. Molte delle idee da lui formulate nel suo primissimo lavoro scientifico sono ancora considerate fondamentali dagli specialisti della resistenza dei materiali. Nel 1774 Coulomb fu trasferito nel grande porto di Cherbourg, dove prestò servizio fino al 1777. Lì, Coulomb fu impegnato nella riparazione di una serie di fortificazioni. Questo lavoro ha lasciato molto tempo per il tempo libero e il giovane scienziato ha continuato la sua ricerca scientifica. L'argomento principale a cui Coulomb era interessato in quel momento era lo sviluppo di un metodo ottimale per la produzione di aghi magnetici per misurazioni accurate del campo magnetico terrestre. Questo argomento è stato dato in un concorso bandito dall'Accademia delle scienze di Parigi. Due vincitori del concorso nel 1777 furono annunciati contemporaneamente: lo scienziato svedese van Schwinden, che aveva già presentato il lavoro per il concorso, e Coulomb. Tuttavia, per la storia della scienza, non è il capitolo delle memorie di Coulomb dedicato agli aghi magnetici ad interessare di più, ma il capitolo successivo, dove vengono analizzate le proprietà meccaniche dei fili su cui sono appese le frecce. Lo scienziato ha condotto una serie di esperimenti e ha stabilito l'ordine generale di dipendenza del momento della forza di deformazione di torsione dall'angolo di torsione del filo e dai suoi parametri: lunghezza e diametro. La bassa elasticità dei fili di seta e dei capelli rispetto alla torsione ha permesso di trascurare il momento insorgente delle forze elastiche e di presumere che l'ago magnetico segua esattamente le variazioni di declinazione. Questa circostanza servì da impulso a Coulomb per studiare la torsione dei fili metallici cilindrici. I risultati dei suoi esperimenti furono sintetizzati nell'opera "Studi teorici e sperimentali della forza di torsione e dell'elasticità dei fili metallici", completata nel 1784. Lo studio della torsione di sottili fili metallici, effettuato da Coulomb per il concorso del 1777, ebbe un'importante conseguenza pratica: la creazione di una bilancia di torsione. Questo strumento poteva essere utilizzato per misurare piccole forze di varia natura e forniva una sensibilità senza precedenti nel XVIII secolo. Avendo sviluppato il dispositivo fisico più accurato, Coulomb iniziò a cercarne un'applicazione degna. Lo scienziato inizia a lavorare sui problemi dell'elettricità e del magnetismo. Il risultato più importante ottenuto da Coulomb nel campo dell'elettricità fu l'istituzione della legge fondamentale dell'elettrostatica: la legge dell'interazione delle cariche puntiformi immobili. Lo scienziato formula la legge fondamentale dell'elettricità come segue: "La forza repulsiva di due palline, elettrizzate da elettricità della stessa natura, è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i centri delle palline." Coulomb iniziò misurando la dipendenza della forza repulsiva di cariche simili dalla distanza e condusse numerosi esperimenti. Lo scienziato fornisce i risultati di tre misurazioni, in cui le distanze tra le cariche erano messe in relazione come 36:18:172, e le corrispondenti forze repulsive - come 36:144:5751, cioè le forze sono quasi esattamente inversamente proporzionali ai quadrati delle distanze. In realtà, i dati sperimentali sono in qualche modo diversi dalla legge teorica. Coulomb ritiene che i motivi principali della discrepanza, oltre ad alcune semplificazioni adottate nel calcolo, siano la perdita di elettricità durante l'esperimento. Il compito di misurare la forza di attrazione si è rivelato più difficile, poiché è molto difficile impedire che la sfera mobile della bilancia entri in contatto con un'altra carica del segno opposto. Tuttavia, Coulomb è riuscito abbastanza spesso a raggiungere un equilibrio tra la forza di attrazione di due sfere e la forza opposta del filo ritorto. I dati sperimentali ottenuti hanno indicato che anche la forza di attrazione obbedisce alla legge del quadrato inverso. Ma nemmeno Coulomb era soddisfatto di questi risultati. “Per confermare questa legge, che, come previde, avrebbe giocato un ruolo fondamentale nella teoria dell'elettricità”, scrive M. Gliozzi, “Coulomb ricorse a un nuovo metodo originale per misurare le piccole forze, che era già stato utilizzato in precedenza per misurare la forza magnetica di una punta d'acciaio.Questo metodo si è rivelato molto efficace ed è ora noto come il "metodo di oscillazione" Si basa sul fatto che, proprio come la frequenza di oscillazione di un pendolo dipende dall'ampiezza del forza di gravità in un dato luogo, quindi la frequenza di oscillazione di un ago elettrificato che oscilla su un piano orizzontale dipende dall'intensità della forza elettrica che agisce su di esso, in modo che questa forza possa essere trovata dal numero di oscillazioni al secondo. Per implementare questo piano, Coulomb fece oscillare un'asta isolante, munita all'estremità di una piastrina carica verticale e posta davanti ad una sfera metallica isolata, caricata di fronte alla carica della lastra e posta in modo tale, quella del suo diametro orizzontale ov passa per il centro della piastra quando è in equilibrio. In questo modo è stata pienamente confermata anche la legge dell'inverso del quadrato". Così, Coulomb ha gettato le basi dell'elettrostatica. Ottenne risultati sperimentali di importanza fondamentale e applicata. Per la storia della fisica, i suoi esperimenti con i bilanci di torsione furono di fondamentale importanza anche perché fornirono ai fisici un metodo per determinare l'unità di carica elettrica attraverso le grandezze utilizzate in meccanica: forza e distanza, che consentirono di condurre studi quantitativi di fenomeni. Autore: Samin D.K.
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