Thí nghiệm xác định định luật lực điện

22

Trong các tác phẩm cuối cùng của nhà khoa học, một số thí nghiệm của ông đã được thực hiện lại. Hóa ra trong phần lớn các trường hợp, kết quả của Cavendish rất chính xác.

Sự quan tâm đến di sản khoa học của nhà khoa học không hề suy giảm. Năm 1927, theo sáng kiến ​​của Đại học Cambridge, một ấn bản mới về tác phẩm của Cavendish đã được đề xuất, trong đó bao gồm các tác phẩm chưa được xuất bản trước đó. Và một lần nữa giới khoa học lại vui mừng: những thay đổi lâu dài (1782-1809) về đặc điểm của từ trường Trái đất đã đặt tài liệu vô giá về “lịch sử từ tính” của Trái đất vào tay các nhà địa vật lý. Hóa ra Cavendish bày tỏ ý tưởng bảo toàn năng lượng và coi đại lượng tương ứng với thế năng. Và một lần nữa, người ta nhất trí rằng kết quả khoa học của Cavendish vẫn chưa được biết đến trong hơn một trăm năm. Người ta không chỉ phải hối tiếc vì đã lãng quên kết quả mà còn phải tiếc rằng những người cùng thời với ông đã không nhận thức được những vấn đề mà Cavendish quan tâm. Chúng thường tạo thành một chương trình khoa học hoàn chỉnh được phát triển trong thế kỷ 19. Một ví dụ có thể là danh sách các vấn đề trong lĩnh vực từ tính: nghiên cứu nam châm vĩnh cửu và nam châm “biến thiên”; ảnh hưởng của cơ thể đến các đặc tính từ tính của cơ thể; sự phụ thuộc của “sức mạnh” của nam châm vào tiết diện; điều khiển sự uốn cong của kim từ trong từ trường Trái đất; sai sót trong nghiên cứu từ trường Trái Đất do sự uốn cong này gây ra.

Vì vậy, khâm phục và hoang mang là những cảm xúc nảy sinh khi làm quen với công trình khoa học của Henry Cavendish. Và, mặc dù thực tế là nhiều kết quả của ông đã được các nhà khoa học khác, những người được coi là tác giả của những khám phá này, thu được một lần nữa, giá trị của các công trình của Cavendish vẫn còn lâu dài. Và trên hết, đó là chiều sâu khoa học mà Cavendish sử dụng để suy nghĩ qua các thí nghiệm của mình cũng như ở sự cẩn thận tỉ mỉ khi ông thực hiện chúng. Chính những yêu cầu này là nền tảng của vật lý thực nghiệm hiện đại.

Henry Cavendish

Thí nghiệm xác định định luật lực điện

Cách tốt nhất để làm quen với công việc của một nhà khoa học xuất sắc là đọc các tác phẩm của ông. Để kỷ niệm ngày kỷ niệm của Cavendish, chúng tôi đang xuất bản một bản dịch tóm tắt tác phẩm của ông nhằm thiết lập sự phụ thuộc của lực hút và lực đẩy vào khoảng cách. Công việc của Cavendish về các vấn đề điện dường như đã bắt đầu vào năm 1771. Kết quả ông thu được rất đầy đủ và quan trọng nhất là chính xác lời giải cho bài toán. Trong nghiên cứu của mình, nhà khoa học đã xác định Coulomb trong hơn một thập kỷ, người đã công bố kết quả thí nghiệm của mình vào năm 1785. Điều thú vị là Cavendish đã có thể trả lời câu hỏi được đặt ra, mặc dù thực tế là ông có quan niệm sai lầm về bản chất của điện. Ông tin rằng có một chất lỏng điện nhất định, sự dư thừa của chất lỏng này biểu hiện ở hiện tượng nhiễm điện dương của cơ thể và sự thiếu hụt - biểu hiện ở âm tính. Để tạo điều kiện hiểu ý nghĩa vật lý của các thí nghiệm của Cavendish trong bản dịch, các thuật ngữ về thiết bị không quay được thay thế bằng các cách diễn đạt hiện đại tương ứng; Khi cần thiết, ý kiến ​​​​hỗ trợ được cung cấp.

Tác phẩm của Cavendish được giới thiệu để thu hút sự chú ý của độc giả, rõ ràng là được viết trong khoảng thời gian từ 1771 đến 1775. Tuy nhiên, nó chỉ được xuất bản lần đầu tiên (bằng tiếng Anh) vào năm 1879, trong bộ sưu tập các tác phẩm của Cavendish của Maxwell.

Mục đích của thí nghiệm tiếp theo là đáp số cho câu hỏi: khi một quả cầu rỗng được nhiễm điện, liệu một quả cầu nhỏ được đặt vào quả cầu đầu tiên và được nối với nó bằng một dây dẫn nào đó được tích điện? Bằng cách này có thể tìm ra định luật về lực hút và lực đẩy của điện.

Tôi lấy một quả bóng có đường kính 12,1 inch, gắn nó lên một miếng kính cứng chạy qua tâm quả bóng như một cái trục và phủ một lớp goop lên thanh để làm cho nó ít dẫn điện hơn. Sau đó tôi kẹp quả bóng này vào giữa hai bán cầu bằng bìa cứng

Bản dịch và chuẩn bị xuất bản của S. Filonovich.

23

thuốc nổ dài 13,3 inch và dày khoảng 1/20 inch, do đó khó có khả năng ở bất kỳ vị trí nào giữa quả bóng và bề mặt bên trong của bán cầu khoảng cách nhỏ hơn 4/10 inch. Các bán cầu được gấp lại với nhau để tạo thành một nửa hình cầu và các cạnh của chúng càng gần nhau càng tốt. Các vết cắt được thực hiện trên mỗi thanh để tạo lỗ cho thanh thủy tinh nhô ra.

Bằng cách này, tôi có một quả bóng bên trong được bao quanh bởi một quả bóng rỗng. Giữa anh ta không có mối liên hệ nào để dòng điện có thể truyền từ người này sang người khác.

Sau đó, bằng cách sử dụng một sợi dây đi qua một trong các bán cầu và chạm vào quả bóng bên trong, tôi tạo ra một kết nối giữa chúng. Một đoạn sợi tơ được gắn vào đầu dây, tôi có thể kéo dây ra nếu muốn.

Sau đó, tôi vạch ra các bán cầu bằng cách sử dụng một sợi dây nối với lớp lót dương của bình Leyden, sau đó tách nó ra và ngay lập tức rút sợi dây nối các quả bóng bên trong và bên ngoài ra. Dây, được tháo ra bằng sợi tơ, không thể xả bóng hoặc bán cầu. Sau đó, tôi tách các bán cầu ra, cẩn thận không để chúng chạm vào quả bóng bên trong và đặt một vài quả bóng nút chai nhỏ lơ lửng trên những sợi vải lanh mỏng vào quả bóng để xem quả bóng bên trong có bị dính hay không.

Để tự tin hơn vào kết quả thí nghiệm, tôi đã sử dụng thiết bị khác. Về nguyên tắc, nó phức tạp hơn mức cần thiết, bước này quan trọng với tôi đến mức tôi muốn kiểm tra nó thật cẩn thận.

ABCD và AbcD là hai khung gỗ có cùng kích thước và hình dạng, được nối với nhau bằng các vòng tại các điểm A và D sao cho mỗi khung có thể di chuyển quanh trục hoành AD; H là một trong các bán cầu được gắn vào khung ABCD bằng bốn thanh thủy tinh Mm, Nn, Pp và Rr, được bọc bằng súng ngắn; h - một bán cầu khác được gắn theo cách tương tự vào khung AbcD; G là quả cầu bên trong được cố định vào thanh ngang Ss (khung gỗ dùng để giữ thanh Ss và các vòng ở các điểm A và D không được thể hiện trên hình để tránh tình trạng của nó); Tt - bọc bằng stanyl *) (tại điểm x) một thanh thủy tinh chạm vào quả bóng; Quả bóng Cork treo từ nhà ga.

Nhờ tác động của các lò xo khác nhau, một chuyển động của bàn tay đã dẫn đến các hành động tuần tự sau: dây tạo thành các bán cầu được tháo ra, dây nối các bán cầu và quả bóng bên trong được kéo ra, các bán cầu được tách ra và thanh Tt được đưa vào quả bóng bên trong. Ngoài ra, còn có điều kiện là dòng điện nằm trên các bán cầu và dây dẫn chúng được sạc qua phải được loại bỏ ngay sau khi pha loãng các bán cầu; nếu không, tác động của dòng điện này có thể làm cho các quả bóng nút chai bị phân tán, ngay cả khi quả bóng bên trong không bị phá hủy.

*) Staniol - forla thiếc.

Vẽ từ bản thảo của Kavendsh kèm theo sơ đồ thí nghiệm xác định định luật lực hút và lực đẩy.

24

Tôi phủ stanium vào quả cầu bên trong và các bán cầu để chúng dẫn điện tốt.

Trong các thí nghiệm, một chiếc bình Leyden phủ stanium được nối với một sợi dây qua đó các bán cầu được truyền điện; dây này được đặt sao cho không chạm vào bán cầu cho đến khi hộp được sạc đúng cách. Sau đó, dây được đưa vào tiếp xúc với các bán cầu trong hai đến ba giây, tách ra và các bán cầu tách ra, như mô tả ở trên.

Một điện kế được nối với dây dẫn chính qua đó bình Leyden được nạp điện và các bán cầu luôn được tích điện bằng nhau.

Những lý do tại sao tôi sử dụng bình như sau. Nếu không có nó, sẽ khó có thể xác định được mức độ điện hóa của các bán cầu và duy trì dòng điện có cùng cường độ*) trong một hoặc hai giây; Tôi sợ rằng nếu dây nằm trên các bán cầu trong quá trình điện khí hóa bình, thì điện có thể dần dần tự tan chảy dọc theo các thanh thủy tinh giữ quả bóng và các bán cầu, và điều này sẽ gây ra một số sai sót trong kết quả thí nghiệm.

Kết quả của các thí nghiệm mà tôi đã lặp lại nhiều lần đều luôn giống nhau: Tôi không nhận thấy sự phân kỳ của các quả bóng hay bất kỳ dấu hiệu nào của điện.

Rằng có thể tiêu thụ ít điện hơn, tôi đã tiến hành thí nghiệm theo những cách khác. Trước khi các bán cầu được tích điện, tôi đã nhiễm điện dương vào các quả bóng nút chai, khiến chúng dịch chuyển ra xa nhau khoảng một inch. Sau đó, ngay khi bán cầu được tách ra và các staniol tiếp xúc với quả bóng, điện của các quả bóng nút chai được truyền sang quả bóng một cách tự nhiên; tuy nhiên, chúng vẫn tiếp tục phân tán, mặc dù hầu như không đáng chú ý. Sau đó, tôi lặp lại thí nghiệm theo cách gần như tương tự, nhưng trước tiên, tôi cho các quả bóng nhiễm điện âm và ở mức độ tương tự như trong trường hợp đầu tiên. Sau khi tiếp xúc với quả bóng, chúng phân kỳ giống như trường hợp nhiễm điện dương.

Cần lưu ý rằng nếu quả bóng có thêm điện tích dương, thì các quả bóng nút chai sẽ phân kỳ nhiều hơn khi trước đó chúng được nhiễm điện dương so với khi chúng được tích điện âm.

Sử dụng kỹ thuật này, độ nhiễm điện thấp của quả bóng có thể được thay thế. Khi các quả bóng đã nhận đủ điện cho sự phân kỳ của chúng, sự phân kỳ của chúng sẽ tăng thêm do lượng chất lỏng điện *), vài mét, mà các quả bóng sở hữu ban đầu. Rõ ràng là phương pháp tiến hành thí nghiệm này là không chính xác nếu các bán cầu không được nhiễm điện gần như bằng nhau với sự nhiễm điện dương và âm của các quả bóng. Tình trạng này được kiểm tra bằng đồng hồ đo điện.

Để xác định lượng điện trên quả bóng bên trong có thể được phát hiện trong thí nghiệm này, tôi đã loại bỏ các bán cầu cùng với khung của chúng, đồng thời để quả bóng và quả cầu ở đúng vị trí. Sau đó, anh ta lấy một mảnh chồng phủ stanyl, giống như một chiếc lọ Leyden; Tôi biết về mảnh ngăn xếp này rằng nó chứa không quá 1/59 lượng điện tập trung vào lớp lót dương của bình Leyden**), nhờ đó các bán cầu được điện khí hóa.

Tiếp theo đó, tôi đã giảng cho tấm kính này tương tự

*) Điều đó có nghĩa là chúng có điện tích giống nhau.

**) Lưu ý rằng Cavendish, độc lập với các nhà khoa học khác, đã đưa ra khái niệm điện dung. Để làm vật chứa này, anh ấy đã sử dụng một quả bóng có kích thước xác định được; Đơn vị của công suất được Cavendish sử dụng là “inch điện”, nghĩa là công suất, giống như trong hệ thống đơn vị CGSE hiện đại, có thứ nguyên là chiều dài. Trong trường hợp này, Cavendish có nghĩa là một tụ điện được làm từ một mảnh ống khói được phủ bằng stanyl có điện dung bằng 1/59 điện dung của một bình Leyden.

25

mức độ (điều này được thể hiện bằng điện kế) mà bình được sạc trong thí nghiệm đầu tiên, tách nó ra khỏi vật dẫn đầu tiên và truyền điện của nó sang bình Leyden, cho đến thời điểm đó vẫn chưa được ấn định. Như vậy, trong thí nghiệm này, cái bình chỉ nhận được 1/60 lượng chất lỏng mang điện mà nó đã nhận được trong thí nghiệm đầu tiên.

Sau đó, dùng một cái lọ, tôi nhiễm điện vào quả bóng theo cách tương tự như cách tôi đã sạc các bán cầu trước đó, và ngay sau khi tháo dây dẫn kết nối, tôi đưa các quả bóng nút chai lại gần quả bóng. Hóa ra là khi sử dụng những quả bóng nút chai đã được nhiễm điện trước, điện tích của quả bóng được thực hiện rất rõ ràng, vì các quả bóng chuyển động nhiều hơn khi chúng mang điện dương so với khi chúng nhiễm điện âm trước đó. Tuy nhiên, nếu các quả bóng không được tích điện thì điện trên quả bóng không đủ để làm chúng di chuyển.

Rõ ràng là lượng chất lỏng điện truyền vào quả bóng trong thí nghiệm này nhỏ hơn 1/60 lượng chất lỏng được truyền đến các bán cầu trong các thí nghiệm trước đó.

Do đó, hóa ra là nếu một quả cầu có đường kính 12,1 inch được đặt trong một quả cầu rỗng có đường kính 13,3 inch, được nối với nó bằng một dây dẫn nào đó và được nhiễm điện dương, thì lượng chất lỏng điện tích tụ trên quả bóng bên trong trong mọi trường hợp đều nhỏ hơn 1/60 phần chất lỏng nằm ở quả cầu bên ngoài, và không có chi tiết nào của thí nghiệm đưa ra lý do để nghĩ rằng quả bóng bên trong hoàn toàn không bị nhiễm điện.

Theo đó, lực đẩy (và lực hút) phải tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, và khi quả bóng nhiễm điện dương, chất lỏng điện tập trung hoàn toàn trên bề mặt của nó.

Chúng ta hãy ước tính sự phụ thuộc của lực hút và lực đẩy vào khoảng cách có thể khác bao nhiêu so với tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, sao cho sự khác biệt này không xuất hiện trong các thí nghiệm. Cho $AT$ đi qua đường kính của hai quả cầu đồng tâm $ABD$ và $abd$ và $Aa$ chia đôi bởi điểm $e$. $Ae$ trong thí nghiệm gần đúng bằng 0,35 inch, $Te$ - 13,1 inch. Nếu lực đẩy điện (và lực hút) tỷ lệ nghịch với khoảng cách với công suất $2+1/50$, thì có thể chứng minh rằng lực mà chất lỏng điện ở $ABD$ đẩy các hạt [tích điện - $C$. F.], nằm ở điểm $e$, hướng về phía tâm, đề cập đến lực mà cùng một lượng chất lỏng truyền vào tâm sẽ đẩy các hạt theo hướng ngược lại, như $1:57$*).

Tuy nhiên, vì nó chỉ bị đẩy một chút bởi bình phương nghịch đảo của khoảng cách, nên chất lỏng trên quả bóng bên trong sẽ đẩy các hạt tại điểm $e$ tác dụng với một lực bằng nhau như thể tất cả chất lỏng đều ở tâm. Do đó, nếu chất lỏng ở quả bóng bên trong bằng 1/57 chất lỏng trên $ABD$ thì hạt sẽ ở trạng thái cân bằng. vì những cái cuối cùng nằm trong khoảng từ $A$ đến $a$, nên có mọi lý do để nghĩ rằng mọi điều đã nói đều áp dụng cho chất lỏng trên bề mặt lọ.

Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng lực hút (và lực đẩy) điện phải tỷ lệ nghịch với khoảng cách đến một nguồn điện nằm trong khoảng từ 2-1/50 đến