Bilancia di torsione di Coulomb

La bilancia di torsione fu ideata dall’ingegnere e fisico francese Charles Augustin Coulomb (1736-1806) nel 1785 e venne da lui utilizzata per misurare la forza che viene esercitata fra le cariche elettrostatiche (ossia per verificare sperimentalmente la legge delle azioni delle cariche elettriche). Tramite questo strumento è possibile determinare che detta forza è inversamente proporzionale alla distanza delle cariche. Strumento difficile e delicato da usare, esso fu però assai popolare in tutti i gabinetti di fisica ottocenteschi dove, probabilmente, era più spesso mostrato che effettivamente utilizzato per eseguire misure di precisione.

L’apparecchio si compone di una vetrina cubica montata su di un telaio di legno munito di 4 viti calanti d’ottone. Le lastre di vetro sono intelaiate da aste di ottone profilate e recano quattro scale di carta divise in gradi (le divisioni non sono lineari essendo le scale graduate sul piano). Sulla vetrina è inserito centralmente un tubo di vetro recante una ghiera goniometrica e un disco d’ottone girevole con una scala circolare che va da 0° a 180° (ogni divisioni corrisponde però a 2°). Sul disco vi è un arganetto al quale è fissato un filo metallico che sostiene l’equipaggio mobile. Il filo di sospensione, elemento importante dello strumento, è ancorato alla parte superiore della testa goniometrica, libero di ruotare in modo indipendente; la parte inferiore sostiene un’asticciola (giogo della bilancia) alle cui estremità sono posti, da una parte, una piccola sferetta e, dall’altra, un contrappeso di forma tale da smorzare oscillazioni indesiderate. Questo si compone di un’asta orizzontale di ebanite recante da un lato una sfera dorata e dall’altro una piccola zavorra di piombo. Nella vetrina è inserito un tappo di legno recante un’asta con una sfera d’ottone posta alla stessa altezza dell’equipaggio mobile.

L’equipaggio mobile viene orientato (ruotando il disco graduato) in modo che esso sia allineato con lo zero di una delle scale di carta nel punto in cui si infila l’asta con la sfera di ottone. Questa viene caricata elettricamente e introdotta nella bilancia in modo da toccare delicatamente la sfera dorata, che assume parte della carica. Per repulsione elettrostatica le due sfere si respingono e l’equipaggio mobile oscilla fino a che non raggiunge la posizione di equilibrio in cui la forza elettrostatica controbilancia la torsione del filo. Coulomb nelle sue misure aumentava poi l’angolo di torsione del filo misurando l’angolo della nuova posizione di equilibrio; da queste misure angolari si risale alla legge delle forze elettrostatiche proporzionali all’inverso del quadrato della distanza tra le cariche (legge di Coulomb). Con misure analoghe è possibile dimostrare la legge di attrazione utilizzando cariche opposte sulle due sferette.