《物理的故事——在悖论中前行》
第18节

作者: 江湖小片
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  法国物理学家库仑(Coulomb,1736—1806)做过类似于卡文迪许的扭秤实验。虽然都是用扭秤来做实验,但是库仑的灵感来源于法国政府悬赏改良航海用的指南针,当时指南针由于摩擦力缘故会出现不准确的情况。当库仑发现用头发丝把磁针悬挂起来,会减小磁针于转盘的摩擦力,就会更加精确。由此他还算出转动角度和扭力成正比,确立弹性扭转定律,再根据这些比例关系,从而做了静电力的扭秤实验:

  日期:2017-08-13 22:27:59
  其结果是带电小球之间的吸引力可以用公式表达:
  F=K (Q_1 Q_2)/R^2
  这哪里是撞衫嘛!简直就是撞脸!因为和万有引力形式一样,人们也就不会怀疑静电力的超距作用。
  库仑再开心不过了,能和史上头份的科学明星——牛顿相提并论是多么幸运的事,同时他对电和磁提出一些观点,就显得举足轻重了。当他被问到静电和静磁之间有什么瓜葛时,他继承了先人的理论,十分坚定的认为:“没有瓜葛。”这个草率的回答,颇让后人伤透了脑筋。
  这个实验比卡文迪许的要轻松一点,毕竟电荷之间的吸引力比万有引力大多了,所以不需要细微的刻度,不过同样也设置精巧,库仑需要将其放入真空的玻璃罩中。实际上在均匀的空气中也能得到同样的答案,但是库仑这样做是有道理的,要论证静电力的超距作用就必须排除介质的干扰。
  1785年,库仑提出著名的“库仑定律”,静电学被划分成两个时代:
  1.早期的定性时代;
  2.库仑后的定量时代。

  早期有多早?我们还要回到那个什么都是源头的古希腊时代。
  【1.起源】公元前600年左右,古希腊米利学派祖师爷泰勒斯(Thales ,约公元前624—公元前547)曾研究过磁现象。有天他打算继续研究磁,可是不小心他的丝绸衣服擦到了琥珀,他注意到此时的丝绸衣服也能像磁铁一样吸引一些细小的颗粒状物体,于是把这个现象记录了下来。琥珀不常见,但是中学教课书中仍然坚持用“丝绸摩擦过的琥珀带负电”来举例是有历史原因的。
  【2.命名】一眼千年。到了公元1601年,英国女王伊丽莎白一世的老御医威廉吉尔伯特(Gilbert,1544—1603)重复了泰勒斯的实验,他试图寻找还有哪些可以摩擦起电的物体,最终他将能带电的物体总结“摩擦起电物体”,把摩擦不起电称为 “非摩擦起电物体”。他将这些现象写到了《论磁》一书中,后来这本书被开普勒看到了......
  吉尔伯特根据希腊文ηλεκτορν(琥珀)创造了英文的electric(电)一词,从此电有了专属名词。汉字只能增加词汇,不能增加字,如果增加了叫“错别字”,我们的“電”来源于天上的风雨雷电。
  【3.排斥现象】过了几十年,大约牛顿上中学那几年,德国马德堡市市长冯格里克(Guericke,1602—1686),他重复泰勒斯和吉尔伯特的实验,试图发现更多的摩擦起电物体,却意外地发现了电的排斥现象:他将带电物体接触金属,金属开始被吸引,但后来又被排斥。实际上,他已经发现了电传导(即电可以从一个物体到另一个物体上),只是当时无人知晓。
  日期:2017-08-13 22:28:30

  值得一提的是该市长还做过一个著名的实验——马德堡半球实验(几匹马同时拉被吸成真空的两个半球),证明了大气压的存在,有人说证明了亚里士多德提出的“自然厌恶真空”的观点,我觉得未必如此,因为亚里士多德的真空是相对“以太”而言的。
  【4.电流体】1720年,英国人斯蒂芬格雷(Stephen Gray,1666—1736)正式发现了电传导。他将带电的玻璃瓶用木塞封装,没想到木塞也能吸引物体——他得出电可以传导的结论。问题来了,电能传多远呢?于是他做了好几年的实验,就导电能力来说,他将物体分为“导体”和“绝缘体”,其中金属的传电能力最强。
  既然电可以传导,那么电很有可能一种独立存在的物质,且称之为“电流体”或者“电素”,也就是后来人们常说的“电荷”。
  【6.同性相斥、异性相吸】1733年,查尔斯琽费(duFay)重复了格雷的实验。他把导体绝缘起来,发现导体也可以摩擦起电。他认为吉尔伯特把物体分为“摩擦起电物体”和“非摩擦起电物体”是不对的,并认为任何物质只要绝缘起来之后都可摩擦带电。
  他在做实验时,发现用丝绸摩擦的玻璃棒会和同样的玻璃棒排斥,而同时又和毛皮摩擦过的琥珀相吸引,而在接触时抵消(电传导)。他把“电流体”分为二种:“玻璃电”和“琥珀电”,同性相斥、异性相吸,这是后来电荷的正负性的雏形。
  【7.莱顿瓶】大约在1745年,荷兰莱顿大学物理系教授马森布罗克(Musschenbrock,1692—1761)在做实验的时候,不小心把一个带电钉子掉落玻璃瓶里,他以为钉子上电很快会跑光,所以就徒手拿出来,没想到手被电了。他重复这样的实验,发现把带电的物体放到玻璃瓶中就不会跑电了。他利用这个原理,制成了人类第一个电容器——莱顿瓶。这个在后来被称为“电容”的东西,走进了实验室。从此实验中要用静电时,就不用和鲜豆浆一样现磨现做了。

  8.1746年左右,英国的科学家柯林森把莱顿瓶邮寄给美国的一位朋友本杰明富兰克林(Benjamin Franklin,1706—1790),后者便是那位曾领导美国独立运动并参与起草《独立宣言》和美国宪法的人。
  在此之前,富兰克林做了很多实验,他很认同琽费关于“电流体分为两种”的说法,不过他用“正电”和“负电”取代了“玻璃电”和“琥珀电”。同时富兰克林还解释了静电产生的原因:不是由于摩擦了“摩擦起电物质”引起的,而是“电流体”从一个物体“流”到另外一个物体上。他将“电流体”命名为电荷,怎么解释电荷?他用了一个很形象的比喻:电荷似水,水流动起来叫水流,电荷流动起来就叫电流了。

  1752年,他做了一个著名的风筝实验。在雷雨天把风筝放上天,风筝上固定一个尖尖的金属线,然后电通过淋湿的风筝线导入莱顿瓶。当金属线被闪电击中时,莱顿瓶不断产生火花。当莱顿瓶收集了电荷之后,对电荷进行了一番研究,他确定电荷是被玻璃瓶存储起来的,也证明了天上电的和地上电是一样的。这个实验很危险,德国一位科学家在类似实验中被电死了。
  他在研究的时候,还为后人留下一把钥匙:1751年,他发现莱顿瓶会将钢针磁化(即电转化成磁)。正是这个小钥匙,开启了电磁学的大门。
  9.库仑定律。
  10.关于电流,还有个有趣的故事,发生在意大利动物学家兼医生伽伐尼(Galvani,1737—1798)身上,因他的妻子有病在身,要吃青蛙。1780年的某天,伽伐尼把已经杀死的青蛙放在台上,用刀叉碰了青蛙腿,蛙腿就会剧烈地抽搐和痉挛,就像诈尸了一般,同时还有电火花发生。
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