Descrizione                                                                                      

La bilancia di torsione viene chiamata “bilancia di Coulomb” in onore del suo inventore, Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), un fisico e ingegnere francese che la mise a punto nel 1785. Si tratta di uno strumento per la misurazione sperimentale della forza elettrica che si instaura tra due cariche elettriche poste ad una certa distanza tra loro. Esso è costituito da un filo (solitamente metallico o di seta) appeso ad un sistema di sospensione, a cui è legato un braccio orizzontale costituito da un materiale isolante. Alle estremità di quest’ultimo sono presenti due piccole sfere, la prima di materiale conduttore elettrico, l’altra di materiale isolante (la seconda delle quali ha la funzione di equilibrare la forza gravitazionale della prima). È inoltre presente una terza sfera metallica in posizione fissa, uguale alla prima e giacente sulla stessa circonferenza lungo la quale possono ruotare le prime due. Il sistema descritto è inserito in un contenitore cilindrico di vetro, sul quale, all’altezza delle tre sfere è disegnata una scala graduata. La creazione di un ambiente isolato ne permette inoltre la deumidificazione (eliminando le interferenze sulla forza elettrica), attraverso il riscaldamento dello strumento. È inoltre possibile caricare elettricamente la sfera fissa dall’esterno della bilancia. Basandosi sul principio che una sfera carica elettricamente, se messa a contatto con un’altra sfera uguale ma elettricamente neutra, trasferisce a quest’ultima metà della sua carica, tramite la bilancia di Coulomb, si carica la sfera metallica fissa, la quale, messa a contatto con la seconda sfera conduttrice, le cede metà della propria carica. Considerando il sistema costituito dall’asta orizzontale e dalle due palline alle sue estremità, su di esso agiscono due momenti angolari, il primo, incognito, generato dalla forza repulsiva tra le due palline conduttrici, che tende ad allontanarle, il secondo, noto, dovuto alle caratteristiche torsionali del filo, che tende a riportare la pallina carica dell’asta mobile alla posizione originaria. L’asta orizzontale, dunque, dopo alcune oscillazioni, si ferma in una posizione di equilibrio. L’angolo formato dalle due posizioni (iniziale e finale) dell’asta è proporzionale al momento angolare generato dalla forza repulsiva agente sulla pallina carica. Attraverso l’esperimento di Coulomb venne determinata la legge di Coulomb, la quale afferma che tra due cariche elettriche q1 e q2, a distanza r tra loro, si instaura una forza elettrica la cui direzione è la retta congiungente le due cariche. Tale forza è repulsiva se le cariche sono concordi, attrattiva in caso contrario. Il modulo della forza elettrica è direttamente proporzionale al prodotto delle due cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza:

Fe=k×q1×q2/r2, con k=1/4×π×ε0  (ε0 è la costante dielettrica nel vuoto, ε0 =8,854×10-12C2N×m2)