65,5 x 26 Vidro, madeira, medula de sabugueiro e latão
A balança de torção de Coulomb ocupa um lugar preponderante na história da Física. Trata-se de um instrumento que permite a verificação experimental da lei quantitativa das interacções entre cargas eléctricas. De um modo geral a balança é constituída por uma caixa de vidro, cilíndrica ou quadrada, fechada por uma tampa, também de vidro, da qual se eleva um tubo que termina num disco metálico de onde está suspenso um fio de torção que sustenta uma agulha horizontal de goma laca. Esta agulha tem numa das extremidades um pequeno disco vertical de latão e, na outra, uma esfera de medula de sabugueiro. A altura da agulha é regulada por meio de um botão que faz rodar um eixo horizontal onde se enrola o fio que a suspende. Este eixo está montado sobre um disco giratório no qual se encontra gravada uma escala dividida em graus. Esta escala avança em relação a uma marca de referência, fixa na coluna de vidro, de modo a possibilitar a medição de deslocamentos angulares.
O objectivo da experiência a realizar com este instrumento é, como se disse, a verificação da lei de Coulomb. Começa-se por fazer com que o disco de latão toque numa esfera metálica que se encontra na extremidade de uma vareta de vidro suspensa do tampo da balança. Nestas condições, tanto o disco como a esfera devem estar descarregados e o fio de suspensão da agulha não deve estar sob torção. A finalidade desta operação é definir uma posição de referência. Seguidamente, retira-se a esfera suspensa da tampa da balança, e electriza-se. A esfera, ao ser recolocada no interior da balança, electriza o disco de latão com carga do mesmo sinal, observando-se uma repulsão entre ambos.
Nestas condições, a agulha começa a descrever um movimento oscilatório amortecido, até que pára. O conjunto permanece então estático numa posição correspondente ao equilíbrio entre o momento da força de repulsão e o da força de torção do fio. O ângulo de torção do fio pode ser medido através de uma escala dividida em graus, marcada sobre a parede da caixa de vidro, à altura do plano horizontal da agulha suspensa.
Ao rodar o disco de onde se suspende a agulha, por forma a fazer aproximar o disco da esfera, verifica-se que o ângulo de torção aumenta, já que ambos estão electrizados com carga do mesmo sinal. A nova distância entre os corpos electrizados pode ser obtida através da escala existente na parte superior da caixa da balança. O registo de sucessivos ângulos de torção do fio, e das correspondentes distâncias entre a esfera e o disco, permite a verificação da relação entre a intensidade da força de repulsão e o quadrado da distância entre os corpos electrizados.
A fim de verificar a relação entre a força de interacção e a carga eléctrica dos corpos, Coulomb utilizava uma bola de medula de sabugueiro suspensa da agulha. Após registar o ângulo de torção do fio de suspensão, tal como no caso anterior, retirava a esfera da vareta de vidro, colocando-a em contacto com outra de iguais dimensões. Desta operação, resultava uma diminuição do valor da sua carga para metade. Ao ser recolocada na balança, observava-se que a repulsão eléctrica entre a esfera metálica e a bola de medula de sabugueiro era menos intensa. O novo ângulo de torção do fio, correspondente à nova posição de equilíbrio, era menor do que no caso anterior. Repetindo este procedimento algumas vezes, obtinha-se uma relação experimental válida.
Para além destas experiências, Coulomb desenvolveu outros métodos experimentais, baseados na medida dos períodos de oscilação da agulha suspensa no fio de torção. De resto, este era o método a que recorria para a calibração dos fios utilizados nas balanças de torção. Para que as experiências fossem bem sucedidas, era conveniente proceder à secagem do ar no interior da balança. Para este efeito recorria-se a um recipiente contendo cal viva.
O exemplar do Gabinete de Física, de caixa cilíndrica, foi adquirido em 1869 e já não está completo.
Fonte: museu.fis.uc.pt
As primeiras experiências com a eletricidade eram puramente qualitativas, não havendo unidades nem aparelhos de medida para quantificar os fenómenos elétricos. Com o avanço dos estudos começaram a ser dados passos no sentido da sua medida com a construção de vários aparelhos que permitiam visualizar vários níveis de eletrização, mas não havia unidades de medida normalizadas.
Na segunda metade do século XIX alguns cientistas determinaram experimental ou matematicamente a relação da diminuição da força entre cargas elétricas com o quadrado da distância entre elas ( 1 / d2 ).
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 reacção 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"
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.
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 - Diminuiu 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.
Fonte: geocities.yahoo.com.br