Balança de Coulomb

Balança de Coulomb – O que é

Uma balança de Coulomb é uma balança de torção, semelhante à usada para gravidade, que mede a força eletrostática entre objetos carregados, permitindo a verificação experimental da Lei de Coulomb. Consiste em uma esfera condutora suspensa que gira devido à força repulsiva ou atrativa de uma segunda esfera carregada, cuja distância pode ser variada. A força é determinada medindo-se o ângulo que o fio de torção torce para retornar a balança à sua posição de equilíbrio, fornecendo uma relação quantitativa entre a força e as cargas e sua distância.

Este dispositivo serve para demonstrar a lei da presença de uma força atrativa ou repulsiva entre cargas elétricas pontuais, formulada em 1785 pelo físico francês Charles Augustin Coulomb (1736-1806). O instrumento mede a força repulsiva entre cargas elétricas iguais por meio da torção produzida no fio que suporta uma das duas cargas.

Seu uso é bastante complexo e delicado e, portanto, não é adequado para fins didáticos em escolas. No entanto, o instrumento é de grande importância histórica, pois marca a transição entre o estudo qualitativo dos fenômenos elétricos e seu estudo quantitativo, baseado em medições experimentais e na formulação de leis matemáticas.

Balança de Coulomb – História

Balança de Coulomb

Charles-Augustin de Coulomb não inventou o equilíbrio de torsão, mas foi o primeiro a descobrir que poderia ser usado para medir a carga elétrica – o primeiro dispositivo capaz de tal façanha.

Nas primeiras investigações de eletricidade, os cientistas tinham poucas ferramentas para ajudá-los.

Na década de 1780, dispositivos para gerar, armazenar e detectar eletricidade estática foram construídos, mas não havia uma maneira fácil de medir quantidades de cargas elétricas estáticas.

Um engenheiro francês com um interesse em eletricidade e magnetismo, Charles-Augustin de Coulomb, desenvolveu um dos primeiros instrumentos capazes de tal proeza: a balança de torção.

Coulomb era engenheiro militar e também estudioso. Nesta última ocupação alguns trabalhos que realizou conduziram-no à balança de torção.

Em 1777 Coulomb participou num concurso proposto pela Academia de Ciências francesa para o melhoramento das bússolas magnéticas, de grande importância para o uso em navios. Para melhorar a precisão da bússola, Coulomb suspendeu-a dum fio em vez de a assentar sobre um suporte e realizou um estudo minucioso sobre o magnetismo terrestre e sobre o aparelho que pretendia construir, nomeadamente sobre a torção do fio. Coulomb partilhou o prémio da Academia com outro concorrente.

Em 1779 a Academia propôs um estudo sobre as leis do atrito, de importância em diversas atividades ligadas à construção e exploração de navios. Coulomb ganhou o prémio pelo seu trabalho apresentado em 1781, sendo eleito nesse ano para a Academia, o que vinha desejando há anos.

Entre as diversas atividades que continuou a desenvolver, em 1784 apresentou um estudo sobre torção e elasticidade (na continuação de estudos anteriores) e construção de balanças de torção para medidas de precisão.

Sobre este assunto, Coulomb leu na Academia em 1785 uma Memória, apenas publicada em 1788, que denominou “Primeira memória sobre a eletricidade e o magnetismo” com os seguintes sub-títulos, que são esclarecedores:

“Construção duma Balança elétrica, baseada na propriedade que têm os Fios de metal, de ter uma força de reação de Torção proporcional ao ângulo de Torção”;

“Determinação experimental da lei segundo a qual os elementos dos Corpos eletrizados com o mesmo tipo de Eletricidade se repelem mutuamente”.

Eletrizando um alfinete e tocando momentaneamente a bola fixa, as duas bolas ficam eletrizadas com o mesmo tipo de carga e a bola móvel afasta-se da fixa de um determinado ângulo. Dá-se uma torção do fio.

Aumentando a força de torção do fio, com o micrómetro, reduz-se o ângulo de desvio entre as bolas. Comparando-se as forças de torção com o ângulo de desvio, determina-se a lei de repulsão.

Coulomb descreveu os ensaios que fez:

1º – Eletrizou as bolas e a bola móvel afastou-se 36º da fixa (a força de torção do fio equilibra a força elétrica entre as bolas).
2º – Diminui o ângulo para metade (18º), rodando o micrómetro 126º. Concluiu que para diminuir o ângulo de metade teve que aumentar a força de torção 4 vezes (126º + 18º = 144º = 36º x 4).
3º – Diminuiu o ângulo para (próximo de) metade (8,5º 9º), rodando o micrómetro até 567º.  Concluiu que para diminuir o ângulo de metade teve que aumentar a força de torção 4 vezes (567º + 9º = 576º = 144º x 4).

Destas experiências concluiu que a força elétrica de repulsão varia na função inversa do quadrado das distâncias (1 / d² ).

A balança parece ser de difícil manuseamento para dela obter resultados. Ao longo dos anos experiências diversas com esta e com outras balanças foram feitas e os resultados apresentados por Coulomb foram questionados, inclusivamente por Volta, mas a lei de Coulomb acabou por ser reconhecida. A balança, por seu lado, foi sendo cada vez menos referida e hoje praticamente não se fala dela.

A balança de Coulomb tem 1 metro de altura e é constituída por um tubo cilíndrico assente noutro cilindro oco mais largo, ambos em vidro.

No topo existe um micrómetro e um sistema de fixação do fio de prata. O fio passa pelo interior do tubo mais estreito e sustenta na extremidade um peso e um braço horizontal. Numa das extremidades deste braço está uma bola de medula de sabugueiro com 5 mm de diâmetro e na outra um disco de papel com funções de equilíbrio do braço e de redução de oscilações. Outro fio suportando outra bola idêntica está introduzido no cilindro inferior (esta bola ficará “fixa”).

No interior e a meio da parede do cilindro inferior existe um papel com uma escala graduada. O “zero” do aparelho obtém-se alinhando visualmente o primeiro fio com o zero da escala graduada, rodando o micrómetro.

As duas esferas devem ficar em contato.

Balança de Coulomb – Equilíbrio de Torsão

Esquema de uma balança de torção

O equilíbrio de torsão de Coulomb consiste em várias peças pequenas.

Dentro de uma caixa de vidro, que impede brisas ou outros fatores ambientais de afetar os resultados, uma agulha paira de uma linha, tipicamente de seda.

Um tubo de vidro estreito estende-se através da parte superior da caixa de vidro.

No topo do tubo é uma esfera de metal, a partir do qual a agulha paira pelo fio. Uma pequena esfera de metal está em uma extremidade da agulha, que pode balançar livremente devido ao seu estado suspenso. Protrusão através do topo da caixa de vidro é também uma haste de metal com esferas de metal em ambas as extremidades (um dentro do caso, um fora).

Para usar o balanço de torção, Coulomb seguraria um objeto perto da esfera metálica na extremidade superior da haste de metal.

Qualquer carga mantida pelo objeto a ser estudado transferiria para a esfera de metal, em seguida, viajar ao longo da haste para a esfera na outra extremidade.

Lá, a carga poderia afetar a agulha suspensa no caso, que em seu estado de repouso tocou a esfera inferior da haste.

Assim, qualquer carga nessa esfera passou para a esfera da agulha.

Uma vez que a esfera da haste ea esfera da agulha se tornaram igualmente carregadas, elas se repeliram.

A repulsão fez com que a agulha se movesse eo fio segurando-a para torcer. A ação de torção é chamada de torção, daí o nome do instrumento.

Para determinar quanto torsão ocorreu, Coulomb consultou uma pequena escala marcada em graus perto da extremidade superior do tubo de vidro estreito.

Uma segunda escala envolvendo a própria caixa de vidro permitiu-lhe determinar até que ponto a agulha se movia.

Como Coulomb percebeu, quanto maior a carga, maior a torção e o deslocamento que ele observava.

Um cientista anterior, John Michell, tinha usado um instrumento semelhante para estudar a gravidade, mas o dispositivo não ganhou muita fama até depois de Coulomb reinventou-lo e colocá-lo para um uso diferente. Coulomb realizou estudos detalhados de forças eletrostáticas com o equilíbrio de torsão que lhe permitiu oferecer a prova mundial da lei do quadrado inverso que hoje leva seu nome.

De acordo com a lei de Coulomb a força eléctrica entre objetos é inversamente proporcional à distância entre os objetos.

Existe uma lei inversa similar para a gravidade, mas a gravitação é influenciada pelas massas dos objetos e não pelas suas cargas.

Depois de Coulomb publicar os resultados de suas investigações e uma descrição do equilíbrio de torção, cientistas em todo o mundo queriam a ferramenta.

Na verdade, o equilíbrio de torção tornou-se um dos instrumentos científicos mais populares para graça laboratórios no final do século 18 e ao longo do século seguinte.

Balança de Coulomb – Componentes e Função

Balança de Torção: O núcleo do dispositivo é uma balança de torção, que utiliza um fio fino (geralmente de seda ou metal) para suspender uma haste leve.
Esferas Carregadas: Uma pequena esfera eletricamente carregada (como uma bola de medula) é fixada em uma extremidade da haste. Uma segunda esfera, com carga semelhante, é montada em um braço móvel.
Fio de Torção: A resistência do fio à torção é diretamente proporcional ao torque e, portanto, à força eletrostática que atua sobre a esfera suspensa.
Escala: Uma escala permite ao experimentador medir o ângulo de torção do fio de torção.

Balança de Coulomb – Como Funciona

1. Carregamento: Ambas as esferas são carregadas com eletricidade estática, geralmente com a mesma polaridade.
2. Exercício de Força: A força repulsiva entre as duas esferas com a mesma carga faz com que a esfera suspensa gire.
3. Restauração do Torque: O experimentador torce o fio para trazer a esfera suspensa de volta à sua posição original e equilibrada.
4. Medição da Força: O ângulo em que o fio de torção foi torcido é então medido. Este ângulo fornece uma medida quantitativa da força eletrostática entre as esferas.

Importância

Demonstra a Lei de Coulomb: O experimento demonstra diretamente a relação descrita pela Lei de Coulomb: a força entre duas cargas pontuais é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas e diretamente proporcional ao produto das cargas.
Importância Histórica: A balança de Coulomb marcou uma transição crucial do estudo qualitativo da eletricidade para uma base quantitativa e experimental para a formulação de leis matemáticas, de acordo com a física no museu.
Precisão: Os experimentos de Coulomb com a balança de torção alcançaram uma precisão que confirmou a lei do inverso do quadrado com uma precisão maior do que os esforços anteriores, de acordo com pesquisas.

Balança de torção de Coulomb

Balança de torção de Coulomb

A Balança de torção de Coulomb ocupa um lugar extremamente importante na história da Física.

É um instrumento que nos permite verificar experimentalmente a lei quantitativa de interação entre cargas elétricas.

De um modo geral, o balanço compreende uma caixa de vidro cilíndrica ou quadrada, fechada por uma tampa da qual emerge um tubo de vidro. O tubo termina com um pedaço de metal do qual uma linha de torção está suspensa. Esta linha segura uma agulha horizontal feita de laca, com um pequeno disco de latão vertical em uma extremidade e uma esfera da medula mais velha na outra. A altura da agulha é ajustada por um botão que é girado para enrolar a linha de suspensão em um eixo horizontal. Este eixo é montado em um disco giratório em que é gravado uma escala dividida em graus.

A escala avança em relação a uma marca de referência, fixada na coluna de vidro, de modo que o deslocamento angular pode ser medido.

Para estudar a intensidade da força de interação entre dois corpos carregados, o disco de latão é feito para tocar uma pequena esfera de metal que está na extremidade de uma haste de vidro suspensa de um buraco na tampa de vidro da balança.

Nestas condições, tanto o disco como a esfera estão sem carga e a linha que suspende a agulha não deve estar sob torção. Em seguida, a esfera suspensa da tampa da balança é removida, para ser carregada eletricamente. Esta esfera, ao ser colocada de volta no equilíbrio, toca o disco de latão, dando-lhe a mesma carga e, conseqüentemente, eles repelem uns aos outros.

Quando isso ocorre, a agulha começa um movimento oscilante amortecido até parar. O instrumento permanece estático numa posição correspondente ao equilíbrio entre o momento da força de repulsão ea de torção da rosca. O ângulo de torção da rosca é medido na escala graduada marcada na caixa de vidro, à mesma altura do plano horizontal da agulha suspensa.

Ao girar o disco a partir do qual a linha que segura a agulha está suspensa, aproximando o disco da esfera, o ângulo de torção aumenta, uma vez que ambos têm a mesma carga. A nova distância entre os corpos carregados pode ser obtida por meio da escala na carcaça da balança. Gravar ângulos sucessivos de torção para a rosca, para as distâncias correspondentes entre a esfera eo disco, permite a observação da relação entre a intensidade da força de repulsão eo quadrado da distância entre os corpos carregados.

Para determinar a relação entre a força de interação ea carga elétrica sobre os corpos, Coulomb usou uma bola de medula de ancião suspensa na agulha. Depois de registar o ângulo de torção do fio de suspensão, como antes, a esfera suspensa na haste de vidro é retirada e colocada em contato com outra do mesmo tamanho. Esta operação resultou na redução da sua carga em metade. Ao ser substituído no equilíbrio, a repulsão elétrica entre a esfera de metal e a bola de medula mais velha é menos forte. O novo ângulo de torção da rosca, correspondente à nova posição de equilíbrio, é menor do que no caso anterior. Se este procedimento for repetido várias vezes, obtém-se uma razão experimental válida.

Além desses experimentos, Coulomb desenvolveu outros métodos experimentais baseados na medição dos períodos de oscilação das agulhas suspensas no fio de torção. Este foi o método que ele empregou para calibrar os fios usados em balanços de torção.

Para que as experiências funcionassem bem, o interior do balanço tinha que ser seco. Um prato de cal anidro foi utilizado para este fim.

Fonte: nationalmaglab.org/physics.kenyon.edu/museu.fis.uc.pt/br.geocities.com/www.museoscienzebergamo.it