6.1.3.1 Silové pôsobenie nábojov

V mechanike sme sa naučili, že najpresnejší spôsob merania síl predstavujú rovnoramenné váhy. S ich aplikáciou na meranie elektrických síl však rýchlo skončíme. Problém je v tom, že elektrické sily výrazne závisia od vzdialenosti, zatiaľ čo tiažové sily pôsobiace na závažia sú v rámci niekoľkých desiatok kilometrov od miesta váženia konštantné. Videli sme to už v prvom pokuse, keď sme sa s nabitým telesom približovali k drobným telieskam, že výrazný silový účinok sa začal prejavovať až pri priblížení sa na malú vzdialenosť 1 - 2 cm, ale potom sa prudko zvyšoval so zmenšujúcou vzdialenosťou.

Druhá možnosť na meranie síl je silomer, čiže zariadenie, ktoré využíva na meranie deformáciu struny. Nepresnosť silomerov je však veľká - cca 10 až 20 % a rozsah merania síl je malý, lebo pri väčších deformáciách struny sa začínajú prejavovať odchýlky od Hookovho zákona, únava materiálu a pod.  Je tu ešte iná možnosť - využiť na meranie sily krútenie (torziu) dlhého tenkého vlákna. Prvé takéto zariadenie skonštruoval francúzsky

fyzik Coulomb a po ňom dostalo toto zariadenie aj svoj názov - "Coulombove torzné váhy". Princíp torzných váh je znázornený na obr. 6.1.3.1.

 

Na tenkom pružnom  vlákne dĺžky l a polomeru R je závesné  izolačné ramienko dĺžky 2a. Na koncoch ramienka sú kovové guľôčky K₁, K₂ s rovnakým polomerom. Konštrukcia Coulombových torzných váh musí byť celkom symetrická, aby sa pôsobenie tiažových síl na guľôčky úplne vykompenzovalo. 

V blízkosti guľôčky K₂ je ďalšia kovová guľôčka K₃ upevnená na tenkej kovovej tyčke. Táto guľôčka slúži na privedenie náboja z vonkajšieho priestoru prostredníctvom kovovej guľôčky K₄. V počiatočnej polohe (ktorá sa dá nastaviť mechanizmom pri hornom úchyte vlákna) sú guľôčky K₂ a K₃ v dotyku. Nabitým telesom sa dotkneme guľôčky K₄. Privedený náboj sa rozloží na povrchu guličiek K₂, K₃, K₄. Ak sú ich polomery rovnaké, na každej z nich bude rovnaký elektrický náboj. (pozri nasledujúci kapitolu o kapacite vodičov). Celé váhy sú uzavreté v sklenenom obale, aby sa vylúčili rušivé vplyvy od prúdenia vzduchu.

Pôsobením elektrickej odpudivej sily sa guľôčka K₂ vzdiali od guľôčky K₃. Výsledné otočenie vahadla o uhol a odpovedá rovnováhe elektrickej a torznej sily deformovaného vlákna. Rovnovážna poloha ramienka je určená rovnováhou momentu D_el odpudivej sily a torzného momentu vlákna D_tor .

          ,                      

Z toho               

Náboj na pevnej guľôčke môžeme opakovane zvyšovať a tak porovnávať účinky nábojov rôznej veľkosti. Pri svojich pokusoch Coulomb dospel k týmto záverom:

1.      Sily medzi nábojmi pôsobia v smere ich spojnice. Takéto sily nazývame centrálne.

2.      Ak je jeden náboj konštantný, tak pôsobiaca sila je priamo úmerná veľkosti druhého náboja pri rovnakých vzdialenostiach r medzi nábojmi. Zo symetrie experimentu vyplýva, že celková sila je teda úmerná súčinu veľkosti oboch nábojov.

3.      Pri rovnakej veľkosti nábojov je sila pôsobiaca medzi nimi nepriamo úmerná druhej mocnine ich vzdialenosti.

Pôsobenie dvoch bodových nábojov je schematicky znázornené na obr. 5.