Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (21)

číslo 5/2002

Archiv

Vývoj názorů na podstatu elektřiny (21)

Ing. Josef Heřman, CSc.

Experimentální zkoumání elektrického přitahování popsal Coulomb ve svém druhém článku, publikovaném v roce 1785. Použití stejného postupu jako v případě elektrického odpuzování by selhalo, protože celá soustava by byla nestabilní. Síla mezi opačně nabitými kuličkami by totiž při jejich přibližování narůstala nad velikost torzního protimomentu, až do jejich doteku. Pro měření přitažlivé síly mezi nesouhlasně nabitými tělesy tedy použil tento postup:

Obr. 1.

Na posunovatelnou zděř, umožňující pohyb po horizontálním ramenu podstavce, izolovaně na hedvábné vlákno zavěsil jehlu v horizontální poloze, na jejímž jednom konci byl upevněn malý disk ze zlaté fólie. Jehlu s diskem poté přisunul do blízkosti velké izolované vodivé koule v úrovni jejího středu. Disk a kouli nabil opačnými náboji. Jehla byla uvedena do horizontálních oscilací při různě nastavených vzdálenostech od koule; v každé poloze byla zaznamenána její frekvence. Za předpokladu platnosti nepřímé závislosti síly na čtverci vzdálenosti by perioda oscilací měla být úměrná vzdálenosti mezi náboji. Experimentem byl tento předpoklad dokázán.

Coulombovy experimenty, uskutečňované ve vzduchu a neuvažující vliv prostředí, potvrdily to, co se již tušilo v minulosti, totiž že síly působící mezi póly magnetu i mezi elektrickými náboji se řídí týmiž zákony jako gravitace, tedy že platí nepřímá úměrnost na čtverci vzdálenosti. Tím byla umožněna aplikace celé soustavy Newtonovy mechaniky na oblast elektřiny a magnetismu, avšak s jednou výjimkou: v těchto oblastech na rozdíl od gravitace existují vedle sil přitažlivých i síly odpudivé. Stejně jako Newton a jeho následovníci však Coulomb pojímal působení těchto sil jako síly „působící na dálku“, tedy okamžitě a prázdným prostorem.

Coulomb pravděpodobně neznal Cavendishovy práce v oblasti elektřiny. Analogickým experimentem jako Cavendish zkoumal i rozdělení nábojů ve vodičích. Došel proto i ke stejnému závěru o rozložení náboje jen na povrchu vodiče a jeho nepřítomnosti uvnitř vodiče. Stejně jako Cavendish to považoval za důsledek nepřímé závislosti odpudivých sil nábojů na čtverci jejich vzájemné vzdálenosti, a tedy i exaktní potvrzení této zákonitosti. Na základě Coulombových měření, vykazujících přesnost řádově několika procent, mohl tak být matematicky formulován první kvantitativní zákon vědy o elektřině – Coulombův zákon

f = k (Q1 Q2)/r2

Jak bylo zjištěno později, konstanta k je závislá na volbě jednotek a na vlastnostech příslušného prostředí.

Coulombův zákon formálně připomíná Newtonův gravitační zákon. Jak již bylo uvedeno, v gravitačním poli však existují pouze síly přitažlivé a konstanta úměrnosti v něm nezávisí na prostředí. Uvedená zákonitost však není jediným přínosem Coulomba vědě o elektřině. Dokázal např., že hustota náboje na povrchu se zvětšuje s jeho zakřivením, čímž teoreticky zdůvodnil roli hrotu při elektrických jevech, jak ji znal mj. již i Prokop Diviš (viz ELEKTRO č. 3/2001). Dále dokázal, že síla působící na plošnou jednotku povrchu elektrody je úměrná hustotě povrchového náboje, což je někdy označováno jako Coulombova věta.

Zákon pro síly magnetické
Pro stanovení zákona magnetických sil působících mezi póly permanentního magnetu použil Coulomb dvě nezávislé metody, které popsal v článku publikovaném v Mémoires de l’Académie Royale des Sciences v roce 1785.

V první z těchto metod použil krátkou střelku magnetu volně oscilující kolem své základní polohy a vertikálně zavěsil zmagnetizovaný ocelový drát o tloušťce přibližně pětadvacet palců. Zaznamenával periodu oscilací jehly pro malé amplitudy; nejdříve pouze pod vlivem samotného zemského pole a potom s vertikálním magnetem drženým v rozdílných malých vzdálenostech od jehly. Za předpokladu jednoduchých harmonických kmitů by se měla intenzita pole měnit inverzně s kvadrátem periody. Při vhodné kombinaci výsledků byl vyloučen vliv zemského magnetického pole a síla, kterou vykazoval magnet, byla nepřímo úměrná kvadrátu vzdálenosti od působícího pole.

Ve své druhé metodě použil Coulomb torzní váhy podobné těm, které použil k určení zákona elektrického odpuzování. Jeho přístroj se v zásadě skládal ze skříňky obsahující kruhovou stupnici překlenutou břevnem, v jehož středu byl otvor, jímž procházela vertikální trubice. Uvnitř této trubice byl mosazný drát připevněný svým horním konce k torznímu mikrometru, schopnému pootočit drátem o jakýkoliv úhel, který bylo možné číst na ocejchované hlavici mikrometru. Na svém dolním konci nesl drát třmen, do nějž byl umístěn tyčový magnet; přístroj byl nejdříve nastaven tak, že drát nebyl vystaven torzi – odečet na mikrometru byl nula a magnet ve třmenu ležel na magnetickém poledníku označeném 0° na dolní kruhové stupnici. Drát byl potom zkroucen tak, že se od poledníku odchýlil o měřený úhel. Magnet byl poté vrácen zpět na poledník a dlouhý magnet byl vertikálně umístěn na poledník tak, aby odpuzoval zavěšený magnet. Zavěšený magnet byl zkroucením drátu opakovaně vrácen zpět do své startovací polohy a torze vynaložená na každou úhlovou vzdálenost dvou pólů byla zaznamenána. Při dané torzi od zemského pole (známou z minulého experimentu) bylo možné zjistit, jak se mění odpuzování obou pólů se změnou oddělující vzdálenosti. Byla tak potvrzena inverzní kvadratická závislost síly na vzdálenosti. Matematický vztah pro magnetické síly je zcela analogický vztahu pro síly elektrické.

Elektrostatika
Coulombem je završena a ukončena první, pionýrská éra zkoumání elektřiny a magnetismu. Coulombovy zákony jsou jejími prvními exaktními vědeckými zákony a představují počátek zrodu nové vědy – elektrostatiky. V období začínajícím vydáním Gilbertovy knihy (1600), v níž bylo uvedeno první moderní pojednání o elektřině a magnetismu, až do Coulombových zákonů elektrostatiky a magnetostatiky (1785) bylo dovršeno poznání zákonitostí elektrostatických a magnetostatických jevů, které našly zhuštěný kvantitativní výraz v Coulombově zákonu. Ač v průběhu tohoto téměř 200 let trvajícího období mnozí badatelé narazili na symptomy souvislosti elektřiny a magnetismu, zůstala tato souvislost pouze souvislostí tušenou, ale neprokázanou.