Balança de Torção

As primeiras experiências com a eletricidade eram puramente qualitativas, não havendo unidades nem aparelhos de medida para quantificar os fenômenos 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. Alguns físicos no final do século XVIII perceberam que existiam semelhanças entre a atração elétrica e a atração gravitacional, de modo que muitos deles lançaram a hipótese de que a força elétrica poderia variar com o quadrado da distância entre os corpos, assim como na força gravitacional. No entanto, era necessário realizar medidas cuidadosas para verificar se essa hipótese era verdadeira. 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.
Em 1777 Coulomb participou de um 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 num fio em vez de assentá-la sobre um suporte e realizou um estudo minucioso sobre o magnetismo terrestre e sobre o aparelho que pretendia construir.
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 prêmio 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 subtítulos, que são esclarecedores:

· "Construção de uma 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".

A balança de torção de Coulomb trata-se de um instrumento que permite a verificação experimental da lei quantitativa das interações entre cargas elétricas, ou seja, através desse aparelho podemos fazer medidas da força de atração e repulsão entre duas esferas eletricamente carregadas. Outra balança bem semelhante a essa foi utilizada por Cavendish, na mesma época, para comprovar a Lei da Gravitação Universal e medir o valor da constante de gravitação G.
De um modo geral a balança de Coulomb tem 1 metro de altura e é constituída por um tubo cilíndrico assente noutro cilindro oco mais largo, ambos de vidro. No topo existe um micrômetro 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 esfera 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 esfera idêntica está introduzido no cilindro inferior (esta esfera ficará "fixa").

No interior e ao meio da parede do cilindro inferior existe um papel com uma escala graduada. 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 "zero" do aparelho obtém-se alinhando visualmente o primeiro fio com o zero da escala graduada, rodando o micrômetro. As duas esferas devem ficar em contato.
O objetivo da experiência a realizar com este instrumento é a verificação da lei de Coulomb. Começa-se a experiência eletrizando um alfinete e tocando-o momentaneamente na esfera fixa, as duas esferas ficam eletrizadas com o mesmo tipo de carga e a bola móvel afasta-se da fixa por um determinado ângulo, observando-se uma repulsão entre ambos e uma torção do fio. Aumentando a força de torção do fio, com o micrômetro, reduz-se o ângulo de desvio entre as bolas.
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 da escala dividida em graus marcada sobre a parede da caixa de vidro, à altura do plano horizontal da agulha suspensa. Comparando-se as forças de torção com o ângulo de desvio, determina-se a lei de repulsão.
A esfera de medula de sabugueiro suspensa da agulha era utilizada por Coulomb para verificar a relação entre a força de interação e a carga elétrica dos corpos. Após registrar o ângulo de torção do fio de suspensão, tal como no caso anterior, retirava a esfera da vareta de vidro, colocando-a em contato 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 elétrica 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. O registro de sucessivos ângulos de torção do fio, e das correspondentes distâncias, permite a verificação da relação entre a intensidade da força de repulsão e o quadrado da distância entre os corpos eletrizados.

Coulomb descreveu os ensaios que fez da seguinte forma:
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 micrômetro 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 da metade (8,5º 9º), rodando o micrômetro 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).

Após realizar várias medidas com as esferas separadas em várias distâncias, Coulomb acabou por concluir que a força elétrica era inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as duas esferas. Além disso, ele ainda concluiu que a força elétrica era proporcional ao produto das cargas elétricas das esferas envolvidas. Em razão dessas conclusões ele acabou por chegar à expressão definitiva da lei que determina a força elétrica entre dois corpos eletrizados, expressão essa que leva o seu nome: Lei de Coulomb.
Além deste experimento, 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.
Essa descoberta de Coulomb foi muito importante para o desenvolvimento do campo da eletricidade, tendo em vista que no século XIX e XX inúmeros progressos foram feitos nessa área, novos estudos foram feitos e novas leis foram descobertas. Entretanto, ao longo dos anos experiências diversas com esta e com outras balanças foram feitas e os resultados apresentados por Coulomb foram questionados, inclusive 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.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

br.geocities.com/jcc5000/oqueebalancadecoulomb.htm

museu.fis.uc.pt/129.htm

www.brasilescola.com/fisica

Autores:

Pedro Henrique Rodrigues Miranda
Willian Souza Lima