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Esperimento di Coulomb

Spiegazione dell'esperimento di Coulomb

La legge di Coulomb che esprime il modulo della forza elettrica tra due cariche in dipendenza dalle cariche stesse e dalla loro distanza fu elaborata sperimentalmente da Coulomb nel 1784/1785.

Egli si servì di una bilancia a torsione, strumento con cui si possono misurare intensità di forza molto deboli.

La bilancia a torsione è costituita da un braccio di materiale isolante sospeso ad un filo elastico anch’esso isolante.

Alle due estremità di questo braccio sono collocate una sfera conduttrice ed una sfera elettricamente neutra per bilanciare il braccio e contrastando la forza di gravità, renderlo equilibrato.

Una terza sfera conduttrice viene posta su un supporto isolante nelle vicinanze della prima sfera posta all’estremità del braccio. Se le sfere sono cariche dello stesso segno esse tenderanno ad allontanarsi.

Esperimento di Coulomb e misurazioni

Una volta che le due sfere interagiscono tra di loro, in quanto cariche e poste ad una certa vicinanza, esse tenderanno a respingersi.

Tale forza applicata all’estremità del braccio isolante fa sì che esso ruoti a causa del momento di questa forza.

Esperimento di Coulomb

Misurando l’angolo α di cui ruota il manubrio a causa della torsione del filo rispetto alla posizione iniziale dopo aver raggiunto l’equilibrio, è possibile risalire alla forza che ha generato questo movimento.

torsione del filo nell'esperimento di coulomb

In particolare detta b la distanza o braccio tra la sfera e il punto in cui è appeso il filo alla sbarra sappiamo che all’equilibrio il momento meccanico dovuto alla forza elettrica (Mfe) deve essere uguale al momento elastico (Mel) dovuto alla torsione del filo da cui:

Mfe = Mel

Possiamo esprimere il momento dovuto alla forza elettrica come prodotto tra forza elettrica F e braccio b mentre il momento elastico come prodotto di un coefficiente K, detto coefficiente di torsione della bilancia, che dipende dalla natura del filo per l’angolo α da esso percorso espresso in radianti:

F ∙ b = K ∙ α

Da qui si può ricavare il valore della forza elettrica pari a:

F = K ∙ α / b

Risultati e conclusioni dell'esperimento di Coulomb

Una volta che Coulomb riuscì a trovare il metodo per misurare la forza di interazione elettrica tra le cariche, indagò sulla dipendenza di quest’ultima dall’intensità delle cariche stesse e dalla loro distanza.

Iniziò dunque a misurare la forza dimezzando la carica sulla sfera posta sul manubrio.

Per dimezzare la sfera pensò di mettere a contatto la sfera carica con Q con un’altra sfera conduttrice identica ma inizialmente scarica.

Sfruttando il principio di conservazione della carica elettrica e sapendo che essa si distribuisce in parti uguali tra conduttori identici di cui uno carico e uno scarico, Coulomb misurò la forza elettrica quando la carica risultava dimezzata, divisa per 4 ecc.

Egli constatò che anche la forza elettrica risultava dimezzata, divisa per 4 ecc.

Anche cambiando la carica sulla sfera posta fissa ottenne lo stesso risultato.

La conclusione fu che la forza elettrica doveva essere direttamente proporzionale ad entrambe le cariche elettriche.

Successivamente per determinare la dipendenza del modulo della forza elettrica dalla distanza a cui sono poste le due cariche, tenendo fisse i valori delle due cariche egli constatò che raddoppiando la distanza tra esse la forza diventava un quarto di quella iniziale. Invece dimezzando la distanza, la forza addirittura quadruplicava.

Conclusione: la forza elettrica è inversamente proporzionale al quadrato della distanza a cui sono poste le due cariche.

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