Nhà vật lý Coulomb và định luật Coulomb
Coulomb (phiên âm tiếng Việt Cu-lông) tên đầy đủ là Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) nhà vật lý học người Pháp được biết đến thông qua định luật mang tên ông Định luật Coulomb. Tên của ông được đặt cho đơn vị đo điện tích trong hệ SI.
Nhà vật lý Coulomb và định luật Coulomb
Charles-Augustin de Coulomb sinh ra tại thành phố Angoulême, Pháp. Ông chọn ngành kỹ sư quân sự tại Bourbon, Martinique sau khi giải ngũ vì lý do sức khỏe, ông dành khoảng thời gian còn lại cho nghiên cứu khoa học. Những thành tựu nổi bật trong lĩnh vực vật lý của ông điều liên quan đến điện từ học mặc dù đây là lĩnh vực không phải chuyên môn chính của ông.
Năm 1785 trên tạp chí Hàn Lâm Viện Khoa Học của Pháp số 569-577 đã đăng bài “Premier Mémoire sur l’Electricité et le Magnétisme” (tạm dịch “Bài báo đầu tiên về điện và từ tính”- google translate) mô tả về công trình nghiên cứu về điện từ của Ông. Nội dung chính trong bài báo ông đã đề cập đến cách : “Làm thế nào để tạo ra và sử dụng 1 chiếc cân xoắn dựa trên đặc tính của sơi dây kim loại có lực xoắn đàn hồi tỉ lệ với góc quay”, đồng thời Ông cũng đưa ra quy luật giải thích về “Ảnh hưởng hỗ trợ của hai dòng điện cùng loại”.
Cũng trong năm 1785 hai bài báo tiếp theo trên tạp chí Hàn Lâm Viện Khoa Học, số 578-611 và Hàn Lâm Viện Khoa Học số 612-638 tiếp tục trình bày các kiến giải khoa học của ông về các phát hiện về lý thuyết điện từ:
- Sécond Mémoire sur l’Electricité et le Magnétisme (Bài báo thứ hai về điện và từ tính) đã đề cập đến “Cách áp dụng quy luật vế điện năng và từ trường thuận nghịch (hút và đẩy)”
- Troisième Mémoire sur l’Electricité et le Magnétisme (Bài báo thứ ba về điện và từ tính) nói về “Điện năng hao hụt theo thời gian vì ảnh hưởng của không khí ẩm hay tính chất ít dẫn điện”.
Tuy nhiên trong các bài báo nói trên mới chỉ dừng lại ở kiến giải lý thuyết chưa có được nhiều sự chứng minh thực nghiệm kiểm chứng. Trong khoảng thời gian từ năm 1785 đến năm 1787 Coulomb đã tiến hành hàng loạt các đo đạc thực nghiệm nhằm tìm ra các xác định lực tương tác tĩnh điện giữa hai điện tích từ đó phát biểu thành định luật sau này được đặt tên là
Định luật Coulomb (hay định luật Cu-lông)
So sánh với biểu thức lực hấp dẫn của Newton Fhd=Gm1m2r2Fhd=Gm1m2r2 ta thấy có sự tương đồng. Tuy nhiên sự khác biệt lớn nhất trong biểu thức của định luật Coulomb là hệ số tỉ lệ k = 9.109N.m2C2N.m2C2 lớn hớn rất nhiều so với hằng số hấp dẫn của lực hấp hẫn G = 6,67.10-11N.m2kg2N.m2kg2
Cách xác định lực độ lớn lực đẩy, lực hút giữa hai điện tích điểm đứng yên bằng cân xoắn Coulomb
Nguyên tắc hoạt động của cân xoắn Coulomb:
Hai quả cầu kim loại giống nhau được gắn ở thanh thẳng, một quả cầu có thể dịch chuyển tự do treo vào một sợi dây đàn hồi. Khi hai quả cầu đẩy nhau, thanh ngang sẽ quay cho đến khi tác dụng của lực đẩy tĩnh điện cân bằng với tác dụng của lực đàn hồi của dây treo. Biết góc quay và chiều dài của thanh ngang sẽ tính được độ lớn của lực đàn hồi từ đó tính được độ lớn của lực đẩy tĩnh điện.
Để nghiên cứu sự phụ thuộc của lương tương tác giữa hai quả cầu kim loại vào độ lớn của điện tích, ta để cho hai quả cầu kim loại trong cân xoắn Coulomb (gọi là quả cầu A, quả cầu B) trở lại trạng thái trung hòa về điện tiếp xúc với một quả cầu nhiễm điện C (giống như A và B). Các quả cầu A,B,C sẽ nhiễm điện do tiếp xúc đồng thời do có cấu trúc giống nhau nên điện tích sẽ được chia ba.
Thu hồi quả cầu C, hai quả cầu A, B nhiễm điện cùng dấu đẩy nhau nhờ cân xoắn ta xác định được độ lớn của lực tương tác tĩnh điện giữa quả cầu A, B. Bước tiếp theo cho quả cầu B tiếp xúc với một quả cầu khác giống y hệt B về kích thước, cấu trúc nhưng không nhiễm điện. Khi đó điện tích quả cầu B sẽ giảm đi một nửa => lực đẩy giữa A,B sẽ giảm căn cứ vào độ giảm của tích hai điện tích và góc quay của cân xoắn Coulomb suy ra được mối liên hệ giữa lực tương tác tĩnh điện (tỉ lệ thuận với tích hai điện tích và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng).
Nếu biết được độ lớn của các điện tích đơn vị (q1; q2), khoảng cách giữa các điện tích (r); độ lớn của lực Coulomb (F) thông qua cân xoắn Coulomb sẽ tìm ra được hệ số tỉ lệ k (còn được gọi là hằng số lực Coulomb) .