Шарль Огюстен Кулон¶

Шарль Огюстен Кулон (фр. Charles-Augustin de Coulomb; 14 июня 1736, Ангулем — 23 августа 1806, Париж) — французский инженер, физик и военный инженер, один из основоположников электростатики и теории трения. Наиболее известен открытием закона взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (закон Кулона) и созданием крутильных весов — прибора, позволившего с высокой точностью измерять малые силы. Именем учёного названа единица измерения электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) — кулон (Кл).

¶Биография

¶Ранние годы и образование

Шарль Огюстен Кулон родился в семье Анри Кулона, военного инженера, и Катрин Баже. В 1749 году семья переехала в Париж, где Шарль поступил в Коллеж Четырёх Наций (Коллеж Мазарини). В 1757 году он начал обучение в Школе мостов и дорог (École des Ponts et Chaussées), где изучал математику, механику и гидравлику. В 1761 году Кулон окончил школу и был направлен на службу в инженерные войска.

¶Военная и инженерная карьера

С 1761 по 1764 год Кулон служил на острове Мартиника (французская колония в Карибском море), где участвовал в строительстве форта Бурбон. Работа в тропическом климате подорвала его здоровье, но дала ценный опыт в области строительной механики и сопротивления материалов. После возвращения во Францию в 1764 году Кулон продолжал службу в различных гарнизонах, занимаясь проектированием и укреплением крепостей.

В 1773 году Кулон представил Парижской академии наук свой первый значительный научный труд — «Опыт о применении правил максимумов и минимумов к некоторым задачам статики, относящимся к архитектуре». В этой работе он применил методы вариационного исчисления для расчёта устойчивости арок и подпорных стен. В 1774 году он был назначен главным инженером крепости Шербур, где руководил строительством морских укреплений.

¶Научная деятельность

В 1779 году Кулон опубликовал работу «Теория простых машин, учитывающая трение в их частях и жёсткость канатов», за которую был удостоен премии Академии наук. В этом исследовании он экспериментально установил законы сухого трения (трения покоя и скольжения), которые впоследствии стали известны как законы Кулона-Амонтона.

В 1781 году Кулон был избран членом Парижской академии наук по классу механики. В 1785 году он представил академии серию из семи мемуаров под общим названием «Опыты по определению закона, по которому элементы электрических и магнитных тел отталкиваются и притягиваются». В этих мемуарах Кулон описал свои эксперименты с крутильными весами и сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов.

В 1789 году, после начала Великой французской революции, Кулон отошёл от активной научной и инженерной деятельности. В 1793 году, во время якобинского террора, он был отстранён от должности и лишён пенсии. В 1795 году Кулон был восстановлен в правах и избран членом вновь созданного Национального института наук и искусств (заменившего упразднённые академии). В 1802 году он был назначен инспектором народного образования, но в 1804 году вышел в отставку по состоянию здоровья.

Шарль Огюстен Кулон скончался 23 августа 1806 года в Париже. Похоронен на кладбище Пер-Лашез.

¶Научные достижения

¶Закон Кулона

Основной вклад Кулона в физику — экспериментальное открытие закона, описывающего силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами. Согласно этому закону, сила \( F \) взаимодействия двух зарядов \( q_1 \) и \( q_2 \) в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния \( r \) между ними:

\[ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} \]

где \( k \) — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ \( k \approx 8,987 \times 10^9 \) Н·м²/Кл².

Кулон установил этот закон в 1785 году с помощью изобретённых им крутильных весов. Прибор состоял из тонкой серебряной нити, на которой подвешивалось лёгкое коромысло с шариком из бузины. Второй шарик подносился снаружи, и по углу закручивания нити Кулон измерял силу отталкивания или притяжения. Опыты показали, что сила изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния с точностью, доступной для того времени.

Закон Кулона является фундаментальным законом электростатики и лежит в основе всей классической электродинамики. Он входит в систему уравнений Максвелла как одно из следствий.

¶Крутильные весы

Кулон усовершенствовал конструкцию крутильных весов, изначально предложенную английским учёным Джоном Мичеллом. Прибор Кулона позволял измерять силы порядка \( 10^{-8} \) Н. Конструкция включала:

вертикальную нить из серебра или платины;
коромысло с изолирующим наконечником;
шкалу для измерения угла закручивания;
внешний контейнер для защиты от воздушных потоков.

Крутильные весы стали первым прибором, позволившим количественно изучать электростатические и магнитные взаимодействия. Впоследствии аналогичные конструкции использовались Генри Кавендишем для измерения гравитационной постоянной и в других прецизионных экспериментах.

¶Законы трения

В 1779 году Кулон опубликовал работу, в которой систематизировал экспериментальные данные о трении. Он установил, что:

сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения тел;
сила трения скольжения пропорциональна нормальной силе давления;
сила трения покоя может превышать силу трения скольжения для тех же материалов.

Эти закономерности, известные как законы Кулона-Амонтона (в честь Гийома Амонтона, который также изучал трение), остаются основой инженерных расчётов трения и износа в машиностроении и трибологии.

¶Механика и сопротивление материалов

Кулон внёс вклад в теорию упругости и сопротивление материалов. В 1773 году он разработал метод расчёта устойчивости арок и подпорных стен, основанный на теории предельного равновесия. Этот метод, известный как «призма обрушения Кулона», используется в геотехнике для оценки давления грунта на подпорные стены.

В 1784 году Кулон опубликовал работу «О силе торсионного кручения», в которой вывел формулу для периода колебаний крутильного маятника и показал, что момент упругих сил пропорционален углу закручивания (закон Гука для кручения).

¶Магнетизм

Кулон также исследовал магнитные взаимодействия. В 1785 году он показал, что сила взаимодействия между магнитными полюсами подчиняется тому же закону обратных квадратов, что и электрические заряды. Он ввёл понятие «магнитной массы» (аналог электрического заряда) и разработал метод измерения магнитного момента.

¶Приборы и методы

Кулон известен как изобретатель точных измерительных приборов. Помимо крутильных весов, он создал:

электроскоп с крутильной нитью — для обнаружения и измерения малых электрических зарядов;
магнитный компас повышенной точности — с использованием крутильного подвеса;
динамометр — для измерения сил сжатия и растяжения.

Метод крутильных весов, разработанный Кулоном, до сих пор применяется в физическом эксперименте, в частности, в установках для измерения гравитационной постоянной и в атомно-силовой микроскопии.

¶Память

Именем Кулона названы:

единица измерения электрического заряда в СИ — кулон (Кл);
кратер на обратной стороне Луны (диаметр 24 км);
астероид (3088) Кулон;
улица в Париже (Rue de Coulomb) в 15-м округе;
научно-исследовательское судно «Кулон» (Франция).

В 1881 году на Первом Международном конгрессе электриков в Париже было принято решение назвать единицу электрического заряда в честь Кулона. В 1906 году на Международной конференции по электрическим единицам и эталонам кулон был официально включён в систему единиц.

¶Критика и исторический контекст

Некоторые историки науки отмечают, что приоритет Кулона в открытии закона обратных квадратов для электрических зарядов не является бесспорным. Английский учёный Джозеф Пристли в 1767 году высказал гипотезу, что электрическое притяжение подчиняется закону, аналогичному закону всемирного тяготения. Генри Кавендиш в 1773 году провёл эксперименты, подтверждающие этот закон, но не опубликовал их. Однако именно Кулон впервые провёл количественные измерения и опубликовал убедительные экспериментальные доказательства, что и обеспечило признание его имени.

¶Источники

Coulomb, C. A. (1785). Premier mémoire sur l’électricité et le magnétisme. Histoire de l’Académie Royale des Sciences, 569–577.
Coulomb, C. A. (1779). Théorie des machines simples, en ayant égard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages. Mémoires de l’Académie des Sciences.
Gillmor, C. S. (1971). Charles Augustin Coulomb: Physics and Engineering in Eighteenth-Century France. Princeton University Press.
Heilbron, J. L. (1979). Electricity in the 17th and 18th Centuries: A Study of Early Modern Physics. University of California Press.
Храмов Ю. А. (1983). Физики: Биографический справочник. М.: Наука.