Hvordan Coulomb og Aepinus Bidro til Utviklingen av Elektromagnetisme

I løpet av det 18. århundre var det flere vitenskapelige debatter og fremskritt innenfor fysikken som la grunnlaget for dagens forståelse av elektrisitet og magnetisme. En av de mest markante figurene i denne utviklingen var Charles-Augustin Coulomb, som gjennomførte banebrytende eksperimenter som viste de matematiske forbindelsene mellom elektriske krefter og avstand. Men Coulomb var ikke alene i sitt arbeid. En annen viktig skikkelse var den tyske vitenskapsmannen Georg Christoph Aepinus, hvis teorier også hadde en betydelig innvirkning på denne utviklingen.

Aepinus’ arbeider, spesielt hans bok "Tentamen" som ble publisert i 1759, hadde en direkte innvirkning på Coulomb, som refererte til Aepinus’ teorier i sine egne publikasjoner om magnetisme og elektrisitet. Coulomb, som var godt kjent med matematiske metoder og eksperimentelle teknikker, hadde en stor forståelse for Aepinus’ matematiske tilnærming til fysikk. Det er sannsynlig at Coulomb ble introdusert til Aepinus’ arbeider gjennom det franske miljøet, hvor Jean Baptiste Le Roy var en pådriver for spredningen av Franklin’s ideer, som i sin tur åpnet veien for Aepinus’ teorier.

I sitt arbeid fra 1777 om magnetisme kritiserte Coulomb den dominerende teorien om virvler og fremmet i stedet en mer Newtonsk syn på tiltrekning og frastøtning. Han undersøkte også teoriene om magnetiske væsker, som ble foreslått av Anton Brugmans og Johan Carl Wilcke, og en teori som Aepinus hadde utviklet om ett magnetisk fluid. Coulomb kritiserte begge teoriene, da han mente de ikke var tilstrekkelige til å forklare alle magnetiske fenomener, spesielt fenomenet med deling av magneter i to mindre magneter.

Haüy, som var en sterk tilhenger av Aepinus, forsøkte å heve statusen til Tentamen som et viktig vitenskapelig verk. Hans bok inkluderte en oppdatering av Aepinus’ beregninger ved å inkorporere Coulomb’s egne eksperimentelle resultater fra 1785, som involverte bruk av torsjonsbalansen for å måle forholdet mellom elektrisk frastøtning og avstand. Haüy ønsket å sikre at Aepinus’ arbeid fikk den anerkjennelsen det fortjente i vitenskapens historie.

Coulomb, som hadde blitt kjent med Aepinus’ arbeid gjennom sin tid i vitenskapelige kretser, var en viktig videreformidler av Aepinus’ teorier, og hans egne eksperimenter på elektrostatiske krefter på slutten av 1780-tallet bidro til å forme det vitenskapelige rammeverket for elektrisitet som vi kjenner i dag. Coulombs mest kjente eksperiment, der han målte forholdet mellom elektrisk frastøtning og avstand ved hjelp av torsjonsbalansen, var et betydelig fremskritt i utviklingen av elektrostatiske lover.

For å forstå betydningen av disse tidlige vitenskapelige arbeider, må man vurdere den metoden som Coulomb og Aepinus benyttet seg av: en kombinasjon av eksperimentell observasjon og matematisk modellering. Deres forskning var ikke bare et resultat av teoretiske spekulasjoner, men var også dypt forankret i praktiske, empiriske eksperimenter. Dette gjorde det mulig å formulere mer presise og kvantifiserbare lover for elektriske og magnetiske fenomener.

Haüys bok og de etterfølgende oversettelsene hjalp til med å spre Aepinus’ teorier i hele Europa, og de ble anerkjent som banebrytende for sin tid. Den vitenskapelige interessen for Aepinus og Coulomb vokste ytterligere i de siste tiårene av 1700-tallet, da de fundamentale lovene om elektrisitet og magnetisme begynte å ta form og få bredere aksept.

Når man ser på utviklingen av disse tidlige teoriene om elektrisitet, er det viktig å forstå at vitenskapen på den tiden var preget av sterke debatter og en konkurranse mellom ulike teorier. For eksempel ble teorien om to elektriske væsker, som ble postulatert av Robert Symmer i 1759, et sentralt tema i disse diskusjonene. Det er gjennom disse vitenskapelige debattene at de grunnleggende forståelsene av elektriske krefter og magnetisme gradvis ble etablert, og Aepinus og Coulomb spilte en nøkkelrolle i dette intellektuelle landskapet.

Hva var det spesielle med Leyden-glass og hvordan påvirket det forståelsen av elektrisitet på 1700-tallet?

Historikeren John L. Heilbron mente at Leyden-glasset var revolusjonerende fordi det brøt Dufays regel. Ifølge Dufay måtte et legeme som skulle elektrifiseres, støttes av et tykt elektrisk materiale — i moderne terminologi, måtte legemet være isolert. For Heilbron var det avgjørende spørsmålet om det var nødvendig å jordforbinde eksperimentøren for at eksperimentet skulle lykkes. Historikerne Cibelle C. Silva og Peter Heering (2018) påpekte imidlertid at jordforbindelsen i begynnelsen ikke var et problem som bekymret folk på den tiden. Ettersom målet med eksperimentet var å elektrifisere vannet, ville fenomenet faktisk overholde Dufays regel, ettersom vannet var omsluttet av et isolerende materiale — glasset. Det første spørsmålet som ble reist på den tiden, var behovet for å koble den indre og ytre siden av glassflasken ved hjelp av ytre midler — eksperimentørens kropp, i dette tilfellet. Dermed reiste Leyden-glasset først og fremst spørsmålet om det elektriske kretsløpet, et konsept vi har en bedre forståelse av i dag.

Jordforbindelsen av flasken, som noen historikere har ansett som avgjørende for utviklingen av Leyden-eksperimentet, ble først sett på som nødvendig for elektrifiseringen av flasken da Benjamin Franklin (1706–1790) forklarte eksperimentet på denne måten. Kort sagt, dreide spørsmålet seg i første omgang, i det minste, om begrepet om en krets. Senere, med den økte vektleggingen av eksperimentelle beskrivelser som prioriterte jordforbindelsen og Franklins forklaring på støtet, kom jordforbindelsen av flasken til å bli sett på som det sentrale spørsmålet.

Benjamin Franklin begynte sine elektrisitetsstudier rundt 1746, etter at Peter Collinson (1694–1768), en venn av ham, sendte ham et rør av glass og noen skriftlige arbeider om elektrisitet. Etter mars 1747 begynte Franklin å utvikle sin teori om elektrisitet, ifølge hvilken elektriske partikler frastøter hverandre og tiltrekkes av vanlig materie. Franklin mente at det elektriske fluidet gjennomtrengte all materie i en naturlig mengde. Derfor var alt alltid utsatt for det elektriske fluidet, selv om det ikke var noen åpenbar elektrisitet. Bevegelsen av elektriske partikler i et legeme kunne forklare elektrisk ledningsevne. For Franklin kunne elektrisk fluid akkumulere i deler av et system (eller legeme), noe som ville resultere i et overskudd ("pluss") over den naturlige mengden av fluidet. Fluidet kunne også spres bort fra deler av et system (eller legeme), som resulterte i en mangel ("minus") på den naturlige mengden. Dermed kunne de to tilstandene av elektrisitet finnes i et elektrifisert legeme — pluss og minus, positiv og negativ.

Franklins forklaring på hvorfor glasset var ugjennomtrengelig for det elektriske fluidet, ble imidlertid utfordret av observasjoner som ble gjort av Watson og Hauksbee, som viste at det var mulig å tiltrekke lette gjenstander ved hjelp av glass. Franklin svarte på disse resultatene ved å forklare at det ikke var noe fluid som gikk gjennom glasset i det eksperimentet. I stedet dannet det seg elektriske atmosfærer — en enhet Franklin postulerte for å forklare elektrisk tiltrekning og frastøting.

Hvordan påvirker luftens motstand på den elektriske ladningen i et Leydensk glass?

I det øyeblikket man påfører elektrisitet til et Leydensk glass, skjer det en gradvis overføring av elektriske molekyler mellom de to innvendige og utvendige overflatene. Når et ledende objekt (som en metalltråd) bringes nær den indre overflaten, skjer det en interaksjon mellom det elektriske fluidet i glasset og den omgivende luften. Selv om effekten av denne interaksjonen er minimal, er det nok til at en svak negativ elektrisitet etableres i området nær den ytre overflaten.

Dette fenomenet fører til at den repulsive kraften som virker mellom fluidet i glassets indre og den ytre overflaten, reduseres, noe som tillater at en liten mengde elektrisk fluid kan overføres til omgivende luft. Når denne prosessen fortsetter, spesielt i et tørt miljø, vil det overskytende elektriske fluidet til slutt unnslippe gjennom luften. Dette viser at Leydensk-glasset faktisk kan få en elektrisk ladning selv i et tørt miljø, til tross for teorier som hevder det motsatte.

Et annet interessant eksperiment som demonstrerer dette, er når en ladet Leydensk-flaske blir plassert i et vakuum. Når luft fjernes fra glasset, fjerner man den motstanden som vanligvis holder elektrisk fluid i glassets indre. Dette gjør at den indre overflaten kan nå sin metningsgrense raskere, og selv om det ikke nødvendigvis skjer med stor kraft, vil det fortsatt føre til en svak elektrisk ladning.

Videre viser eksperimentet at når man nærmer en finger til den ytre overflaten av det ladede Leydensk-glasset, skjer det ingenting – ingen gnist. Dette er fordi den elektriske balansen mellom de to overflatene er tilnærmet null: den repellerende kraften fra den ytre overflaten er like sterk som den tiltrekkende kraften. Det er imidlertid forskjell når fingeren nærmer seg den indre overflaten, som er i kontakt med den elektriske ledningen. Her vil en liten gnist bli trukket ut, et resultat av den svake repulsive kraften fra den elektriske ladningen på innsiden.

For å aktivere elektriske krefter på et objekt, er det vanlig å bruke friksjon eller nærhet til et objekt som allerede er elektrisk ladet. Friksjon har vært den primære metoden i lang tid, men en annen interessant observasjon er at noen materialer, som spansk voks eller harpikser, viser elektrisitet etter å ha blitt smeltet og deretter avkjølt. Spansk voks er spesielt følsom for varme, og kan lett bli elektrisk ved minimal oppvarming, noe som kan få andre objekter til å bevege seg i nærvær av denne varmen.

Det er viktig å merke seg at varmes effekt på elektrisk ladning ser ut til å bestå i at varmen ekspanderer stoffene, noe som gjør det lettere for det elektriske fluidet å bevege seg fra en del av objektet til en annen. Dette betyr imidlertid ikke at varme og elektrisitet er direkte relatert, men heller at varme kan være et hjelpemiddel som muliggjør elektriske prosesser.

Når man ser på disse fenomenene, blir det tydelig at det er flere faktorer som spiller inn når man studerer de elektriske egenskapene til materialer. Luftens motstand, temperaturens effekt på stoffene og materialenes spesifikke egenskaper må alle tas i betraktning for å forstå hvordan elektriske ladninger kan samles og distribueres i et system.