Coulomb’i seadus

Aepinuse mõte formuleerida õige laengute vastasmõju seadus ja luua selle alusel korralik elektriõpetus muutus 18. sajandi füüsikute põhiideeks. Juba 1760. a. teatas D. Bernoulli, et ta on selleks konstrueeritud elektroskoobi abil teinud kindlaks elektriseeritud kehade vahelise vastasmõju seaduse (F ~ r–2), kuid oma tulemusi ta ei publitseerinud ning puuduvad ka täpsemad andmed tema katsekorralduse kohta.

Elegantse kaudse võimaluse esitas 1766. a. rohkem keemikuna tuntud J. Priestley. Talle oli B. Franklin jutustanud oma seletamatust tähelepanekust. Nimelt ei avalda metallanumasse riputatud proovikerakesele (-laengule) mingit mõju anuma elektriseeritud seinad. Priestley kordas katset ja toetudes Newtonile, kes oli näidanud, et kui Maa oleks õõnes, siis õõnsuses olevale proovikehale ei mõjuks Maa gravitatsioonijõud tänu jõu pöördvõrdelisele sõltuvusele kauguse ruudust, järeldas ta, et ka laengute vastasmõju peab olema kaugusest samasuguses sõltuvuses.

H. Cavendish, kes sai tuntuks vesiniku avastamisega 1766. a. (vt. § 4.3) ja gravitatsioonikonstandi mõõtmisega 1798. a., uuris 1770. aastatel intensiivselt elektrinähtusi. Tal oli selge arusaam elektrimahtuvusest, ka leiutas ta muutuva mahtuvusega kondensaatori, võttis kasutusele mahtuvuse etaloni – 1-tollise läbimõõduga metallkera (CGSE-süsteemis 1-sentimeetrise raadiusega kera) mahtuvuse, selgitas kondensaatori mahtuvuse sõltuvust katetevahelisest dielektrikust ja määras seega kaua enne Faradayd mõne aine (nt. parafiinid) dielektrilisi konstante. 1771–72 kontrollis ta Franklini-Priestley katse teooriat õõneskerade erijuhul ja kordas hoolikalt katset kahe kontsentrilise metallist õõneskeraga. Väline kahest poolest kokkupandud kera laeti Leideni purgi abil ja pärast poolkerade eemaldamist määrati sisemise kera laeng. Cavendish oli veendunud, et ta suudab kindlaks teha sisemise kera laengu, kui see on vähemalt 1⁄60 välisele kerale antud laengust. Kuna sisemisel keral laeng puudus, siis arvestades katseviga, sai ta vastasmõju oletatavas seaduses F ~ r–n astmenäitaja jaoks n = 2±1/50. Cavendish oli eraklik ja kinnine uurija, kes ei hoolinud oma tulemuste avalikustamisest ja piirdus harilikult ettekannetega Cambridge’i kitsale kuulajaskonnale. Teadusavalikkuse ette jõudsid tema elektriuurimused alles 1879. a., mil J. C. Maxwell need koos oma kommentaaridega avaldas.

Elektrilaengute vastasmõju seadusele, mis analoogia ja üldiste kaalutluste põhjal tundus vähemalt 18. sajandi keskel juba tõepärasena, andis veenva kinnituse Prantsuse sõjaväeinsener Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806). Ta oli saavutanud teadlaskonnas tunnustuse töödega peenikeste pingutatud niitide väändedeformatsioonide kohta (1777), mis viisid väga täpsete torsioonkaalude leiutamiseni (1784). Viimaste abil korraldaski ta 1785–89 elektri- ja magnetjõudude täppismõõtmisi. Tõukejõu mõõtmine oli suhteliselt hõlpus, sest tõuke- ja väändemomendi vahel tekkis stabiilne tasakaal, tõmbejõu korral oli tasakaal ebastabiilne. Siin kasutas Coulomb nn. võnkumiste meetodit, kus torsioonvõnkumiste perioodi mõjutab paigalseisva ja võnkuva laengu vahel mõjuv tõmbejõud. Tema katsetes väärivad tähelepanu ka hästi läbimõeldud meetmed võimalike laengukadude vältimiseks. Kinnitust leidis samuti juba tuntud tulemus: staatiline elektrilaeng jaotub juhi välispinnale. Coulomb siiski täpsustas: laengu tihedus sõltub juhi pinna kõverusest.

Lisaks elektrilaengute vastasmõju seadusele kontrollis Coulomb ka sama seaduse kehtivust magnetlaengute korral. Siin puudus laengukao risk, kuid tulemuste täpsust vähendas asjaolu, et tegemist ei olnud mitte üksiklaengute, vaid magnetdipoolide vastasmõjuga.

Coulomb’i töödega loodi kindel alus elektro- ja magnetostaatikale. Coulomb’i seaduse või, nagu Inglise teadusajaloolased sageli rõhutavad, Coulomb’i-Priestley seaduse ja Newtoni gravitatsiooniseaduse analoogia võimaldas elektro- ja magnetostaatikas kasutada juba gravitatsiooniteooriast tuntud võtteid, eelkõige Euleri 1756. a. gravitatsiooniteooriasse toodud potentsiaali mõistet. Tõsi, Alessandro Volta, kes 1778. a. hakkas kasutama pinge mõistet, seostas seda erimärgiliste elektrifluidumite püüdega ühineda ja neutraliseeruda. Pinge mõistet kasutas ka Cavendish, nimetades seda keha elektriseerumise astmeks. Mõlemad olid veendunud, et elektroskoobist arenenud elektromeeter mõõdabki pinget (elektriseerumise astet). Asjaolust, et mingi elektriseeritud keha korral on erinevate elektromeetrite näidud erinevad, jõudis ka Volta elektrimahtuvuse mõisteni ning seostas omavahel elektrihulga (laengu), pinge ja mahtuvuse. Toetudes sellele seosele, esitas ta meetodi väikeste laengute mõõtmiseks: ühendades elektromeetri kondensaatoriga ja vähendades viimase mahtuvust, võimendas ta elektromeetriga registreeritavat pinget.

Niisiis, 18. sajandil formuleeriti elektro- ja magnetostaatika alused, loodi kaks elektrivedeliku mudelit – unitaarne ja duaalne mudel. Elektriõpetuses kujunes mõisteline vastavus soojusõpetusega: soojushulk ↔ laeng, temperatuur ↔ pinge, soojusmahtuvus ↔ elektrimahtuvus. Cavendish, Coulomb ja Volta alustasid täppismõõtmisi. Coulomb’i seaduse avastamine ei toonud siiski veel elektri-õpetusse uusi tulemusi, selleks kulus umbes veerand sajandit, kuni Poisson püstitas ja lahendas 1811. a. matemaatilise ülesande laengute jaotumise kohta elektrijuhtidel ja juhtide süsteemidel.