靜電學

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我國古代和古希臘對靜電現(xiàn)象的研究 我國是世界文明古國之一,在古代書籍中有許多電磁現(xiàn)象的記載。例如西漢末期的《春秋緯·考異郵》(公元前20年左右)中就有記載,說經過摩擦的玳瑁(一種跟龜相似的海生爬行動物的甲殼)能夠吸引微小的物體。東漢時期王充在《論衡》中進一步記述了這種現(xiàn)象:“頓牟(即玳瑁)掇芥,磁石引針”。西晉張華在他寫的《博物志》中寫有“今人梳頭、脫著衣時,有隨梳、解結有光者,也有咤聲”,記載了梳子與頭發(fā)摩擦而起電,外衣與不同質料的內衣摩擦起電的現(xiàn)象。
    古希臘是西方電磁學的發(fā)源地。在古希臘的文獻中記載了一些電磁現(xiàn)象。柏拉圖(前427—前347)曾提到“關于琥珀和磁石的吸引是觀察到的奇事”。表明公元前三百多年古希臘人就發(fā)現(xiàn)了琥珀吸引小物體的現(xiàn)象。(琥珀是松柏類植物的樹脂流入地下后而成的化石,多為具有黃色光澤的透明固體,古希臘人習慣把琥珀當作高貴的裝飾品,經常帶在身上,這樣就容易發(fā)現(xiàn)它有吸引輕小物體的現(xiàn)象。)
    我國古代和古希臘關于電的知識,都是由經驗得出的,比較零散。而且在一千多年的時間里很少進展。
    吉爾伯特最先系統(tǒng)研究電磁現(xiàn)象 吉爾伯特(1544—1603)是一位醫(yī)生,曾任英國女王伊麗莎白一世的御醫(yī)。他在從事醫(yī)學工作之余,潛心研究磁現(xiàn)象和摩擦起電現(xiàn)象。是第一批通過實驗對電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)研究的人,有許多重要發(fā)現(xiàn)。他首先確定琥珀的吸引和磁石的吸引是兩種不同的現(xiàn)象。磁石本身就具有吸引力,而琥珀則要經過摩擦;磁石只能吸引有磁性的物體,而摩擦過的琥珀則能吸引任何小物體。吉爾伯特利用各種物質做了許多摩擦起電的實驗,發(fā)現(xiàn)除琥珀外,金剛石、藍寶石、水晶、玻璃、硫磺、硬樹脂、云母、巖鹽等,摩擦后也能吸引小物體。吉爾伯特把經過摩擦后能吸引小物體的物體叫做electric,意思是“琥珀體”,這就是西文中“電”的詞根的來源。為了確定一種物質是不是帶電體,他發(fā)明了第一個可供實驗用的驗電器用一根極細的金屬棒,中心平衡在一個尖端上,可以自由轉動。由于棒很輕,當摩擦后帶電的物體靠近棒時,棒被吸引而轉動。
    奧托·格里克發(fā)明摩擦起電機 奧托·格里克(1602—1686)是一個多才多藝的工程師,當過35年德國馬德堡市市長。1654年他利用自己發(fā)明的抽氣機做過的馬德堡半球實驗。1660年又發(fā)明了第一臺可產生大量電荷的摩擦起電機,為進一步研究電創(chuàng)造了條件。格里克的摩擦起電機是把一個足球那樣大小的硫磺球沿直徑穿孔,插入鐵軸,水平安裝在座架上,使球能繞鐵軸轉動。轉動時,把干手掌放在球上,手與球發(fā)生摩擦,從而產生電。格里克用這個摩擦起電機做了許多有趣的實驗。通過實驗觀察到物體放電時的電火花。后來牛頓對摩擦起電機作了改進,用玻璃球代替硫磺球,制成摩擦起電機。以后又有人不斷改進摩擦起電機。利用它做各種實驗,產生新奇的電現(xiàn)象,特別是產生強大的火花,和從人身上產生火花,引起世人驚奇。使得18世紀40年代的德國,整個社會都對電現(xiàn)象感興趣,許多人出于好奇心,購買摩擦起電機作實驗,作為娛樂。大大地普及了電學知識。
    格雷發(fā)現(xiàn)電的傳導 斯蒂芬·格雷(1666—1736)生于英國一個手工藝家庭,精于工藝。晚年對電學實驗很感興趣,連續(xù)進行了三年研究,最重要的貢獻是發(fā)現(xiàn)了電的傳導現(xiàn)象,確定了有的物體是導電體,有的物體是非導電體。格雷用不同材料研究電究竟能傳多遠,他用木棍、麻線、釣魚竿等做過多次實驗,最長的達650英尺(約200m)。實驗中為了把用來傳電的麻繩懸吊起來,他曾用絲線和銅絲懸掛麻繩,結果發(fā)現(xiàn)用銅絲時,電就不能沿麻繩傳導了。他猜想,可能是電通過銅絲和鐵釘跑掉了。進一步實驗后他發(fā)現(xiàn),電通過金屬比通過絲綢更容易傳導,因此,把電容易通過的物體(如金屬)叫做導電體,而把電難以通過的物體(如絲線)叫非導電體。格雷還做過一個有趣的實驗:把一個小孩用幾根粗絲繩水平吊起來,用摩擦過的帶電玻璃管接觸小孩的胳臂,孩子的手和身體便能吸引羽毛和銅屑。這表明,人體也是導電體。
    杜菲發(fā)現(xiàn)電有兩種法國科學家杜菲(1698—1739)在巴黎科學院從事化學研究。因受到格雷研究成就的鼓舞,從1732年開始也進行電學研究。結果發(fā)現(xiàn)了電有兩種。
    從古代直到吉爾伯特研究電磁現(xiàn)象,人們只知道電的吸引現(xiàn)象。1629年意大利學者卡比奧(1586—1650)發(fā)現(xiàn),摩擦帶電的琥珀吸引小物體到它上面后,又把小物體排斥開去。后來許多學者研究這一現(xiàn)象,并提出各種假說解釋它。一百多年后才被杜菲所解決。
    杜菲先研究摩擦起電和電的傳導,做了許多實驗,得出結論:除金屬和軟材料外的所有物體都能摩擦起電;導體必須用絕緣體架起來才能帶電;物體的帶電跟顏色沒有關系。
    杜菲研究電的排斥現(xiàn)象,他用摩擦帶電的玻璃管吸引金箔,金箔接觸玻璃管后被排斥開。他認為這是兩者接觸時玻璃管把電傳給了金箔,然后就排斥它。杜菲用羊毛摩擦過的樹脂棒靠近被帶電玻璃棒排斥的金箔,使他大為驚奇的是,金箔不被樹脂棒排斥,而是被吸引。經過大量實驗,杜菲終于確定電有兩種,其中一種他稱之為玻璃電(就是現(xiàn)在所說的正電),另一種稱之為樹脂電(即現(xiàn)在所說的負電)。這兩種電的特點是,它們自己互相排斥,彼此互相吸引。
    萊頓瓶的出現(xiàn)及其影響 荷蘭萊頓大學的物理學家穆欣布羅克(1692—1761)在從事電學實驗時,看到好不容易使帶電體所帶的電很快在空氣中消失,便想找出一種保存電的辦法。有一次,他用絲線吊起一支槍管,用它接收從摩擦起電機玻璃球傳來的電;在槍管的一端吊一根黃銅線,銅線的下端放入一只盛有水的玻璃瓶中。穆欣布羅克讓助手一只手拿著玻璃瓶,同時自己使勁轉動起電機。助手不慎將另一只手碰到槍管上,感到一次強烈的電擊,大喊起來。穆欣布羅克與助手互換位置,讓助手搖動起電機,自己一手拿瓶,另一手去碰槍管,也遭到電擊。這個實驗表明,把帶電體放在玻璃瓶中可以把電保存起來。后來人們把這個蓄電的瓶子叫做“萊頓瓶”。萊頓瓶幾經改進后,瓶內外表面都貼上金屬箔,瓶蓋上插一金屬桿,桿上端裝一金屬小球,下端用金屬鏈子與瓶內表面接觸,瓶內盛水,增大了瓶的蓄電能力,可以產生更強的電擊。放電時產生的電火花可以點燃火藥、氫氣等。萊頓瓶的出現(xiàn)為進一步研究電現(xiàn)象提供了有力的手段。
    萊頓瓶產生的使人受到電擊的現(xiàn)象,引起人們的好奇。當時人們用萊頓瓶做電擊示范表演成了一種娛樂游戲。最出色的一次表演是法國電學家諾萊特在巴黎圣母院前進行的。他請700個修道士手拉手排列起來,讓排頭者手拿萊頓瓶,排尾者手握萊頓瓶的引線,當他讓萊頓瓶通過他們放電時,整個隊伍突然同時跳了起來。在場觀眾被驚得目瞪口呆。這一表演顯示了電的巨大威力。
    富蘭克林的風箏實驗 萊頓瓶出現(xiàn)后,有人便用它到處表演電學實驗,并越過大洋傳到了美國。富蘭克林(1706—1790)就是在1746年看了從蘇格蘭到美國的史賓斯博士表演的萊頓瓶實驗后,開始研究電學的。當時富蘭克林已經40歲,在事業(yè)上已有所成就,成為社會名流。他看了史賓斯表演的電學實驗后,感到極新鮮,又驚又喜。當時倫敦皇家學會會員柯林孫贈給富蘭克林的圖書館一根玻璃管和用以做實驗的說明書,富蘭克林就用它熱烈地實驗起來。后來又在自己的玻璃廠中制作實驗工具。他開始做電學實驗后,根據自己所觀察到的現(xiàn)象,想到閃電和電火花是同一種東西,猜想閃電是帶電的云大量放電產生的。他想到用風箏把雷雨云中的電直接引下來做實驗。他用絲手帕糊了個風箏,風箏上安裝一根尖鐵絲用來引云中的電,鐵絲與放風箏的麻線連接在一起,麻線的下端系一段絲帶和一把金屬鑰匙,鑰匙作為導體,以備引出電來,放風箏時手握絲帶,以防電通過身體受傷害。1752年7月,在大雷雨的一天,46歲的富蘭克林帶著21歲的兒子來到牧場,把風箏放到天上有閃電的云層中。他們觀察到麻線上的小纖維都豎立起來,跟摩擦產生的電效果一樣;他用手指靠近鑰匙,立即有電火花從手指上閃過;他使萊頓瓶充電,再放電,產生的效果都跟摩擦電完全相同。這就是的富蘭克林費城風箏實驗。它清楚地證明了雷電就是一種放電現(xiàn)象,使人類對電的認識前進了一大步。后來富蘭克林在此基礎上發(fā)明了避雷針。
    庫侖發(fā)現(xiàn)平方反比定律 庫侖(1736—1806)是法國工程師和科學家。在土木工程、機械力學和摩擦方面作過許多研究并發(fā)表論文。1785年開始研究電學。用他發(fā)明的扭秤研究帶電體間的相互作用,建立了庫侖定律。庫侖制作的扭秤十分精細靈敏,使得他有可能直接測量不同距離下電荷之間微弱的靜電力,并且確立了平方反比定律。庫侖定律的發(fā)現(xiàn),使電學進入了定量科學階段,為靜電學奠定了基礎。1881年第xx屆國際電學大會決定用庫侖作為電量單位。