Az elektromos hatások alaptörvényét Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) 1785-ben vezette le az általa használt torziós mérleg segítségével. E készülék alapelve az, hogy azon szög, amellyel valamilyen drótot elcsavarunk, arányos a csavaró erővel. Ha erőegységül azt az erőt vesszük, amely a drótot egy fokkal elcsavarja, akkor az elcsavarás szögéből következtethetünk a csavaró erőre.
A torziós mérleg áll egy tágas – üvegfedéllel ellátott- üveghengerből, amely a kerületén fokbeosztással van ellátva. A fedél közepén kerek nyílás van, amely fölé egy tágas üvegcsövet helyeztek. A cső felső végére egy, a tokjában elforgatható fémpálcika van beillesztve, amelynek elfordulását a tokon levő körbeosztáson lehet mérni. Maga a tok a pálcikával együtt enyhe súrlódással forgatható a csőben és a pálcika alsó végén egy vékony fémszál található, amelyen ismét vízszintesen egy kis átmérőjű üvegrúd található, a két végén egy-egy kicsi fémgolyóval. A búra igyekszik megvédeni a rendszert a zavaró kitérésektől.
Az üveghenger fedelén, közel a széléhez, nyílás van, amelyen át egy, a végein - fémes összeköttetésben levő - fémgömbökkel ellátott pálcát dughatunk a búra belsejébe. A kísérlet előtt a drótot tartó fémpálcikát a tokjával együtt úgy állítjuk be, hogy a vízszintesen és függőlegesen a búra alá helyezett fémgömbök a drót elcsavarása nélkül érintkezzenek egymással. Ezután a függőleges pálca felső gömbjének töltést adunk, s így az alsó gömb is töltéssel fog rendelkezni, emiatt eltaszítja a vele érintkező vízszintes fémgömböt, amely rövid idő alatt bizonyos ívben elfordulva beáll nyugalmi állapotába. Ezt a szöget - amellyel tehát a vékony fémszál is meg van csavarodva- leolvashatjuk az üveghengeren. Több mérést végezve kimutatható, hogy ha a gömbök távolságai felére, negyedére, nyolcadára… stb. csökkennek, akkor a csavarodások szögei és velük együtt a gömbök közötti taszító erők négyszeresére, tizenhatszorosára, hatvannégyszeresére növekednek, vagyis a taszító erő mértéke a gömbök távolságának négyzetével fordítottan arányos. |
Ha a vízszintes és függőleges fémgolyókat már eleve bizonyos távolságra állítjuk, s velük ellenkező előjelű töltéseket közlünk, akkor a közöttük levő távolságot elcsavarás útján fokozva kimutathatjuk, hogy a vonzóerő is ugyanazt, az ún. Coulomb-törvényt követi.
A vonzás és a taszítás nagysága a távolságon kívül még a töltések nagyságától is függ. Ennek igazolására is kiválóan alkalmas a Coulomb-mérleg. A kísérleti igazolás azon az elven alapszik, hogy ha két vezető, egymástól elszigetelt, azonos sugarú fémgolyót összeérintünk, akkor a töltéseik egyenlő mértékben fognak eloszlani. Így a torziós mérleg golyóival azonos előjelű töltést közölve, az eltaszított golyóhoz – annak nyugalomba való beállása után- egy vele azonos paraméterekkel rendelkező, de töltéssel nem bíró, elszigetelt golyót érintünk, akkor - a fenti elv szerint - a töltött golyó a töltésének felét elveszíti, miközben az álló golyóhoz közeledik. Ekkor ahhoz, hogy a két golyó közötti távolság az eredeti maradjon, az elcsavarást feleakkorára kell leszállítani. Ha az érintést megismételjük, akkor a golyóban az eredeti töltésnek csak a negyedrésze marad, s a távolság csak akkor marad az eredeti, ha az elcsavarást is negyedére szállítjuk le. Ebből az látszik, hogy a taszító erő - hasonlóan a vonzóerőhöz- a töltés mennyiségével egyenes arányban van.
Vagyis a Coulomb-mérleggel igazolható az ún. Coulomb-törvény: két elektromos töltés között fellépő elektromos taszító, illetve vonzóerő egyenesen arányos a két töltés nagyságával és fordítottan arányos a töltések közötti távolság négyzetével. |