靜電學(xué)

字號(hào):

我國(guó)古代和古希臘對(duì)靜電現(xiàn)象的研究 我國(guó)是世界文明古國(guó)之一,在古代書(shū)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(shuō)經(jīng)過(guò)摩擦的玳瑁(一種跟龜相似的海生爬行動(dòng)物的甲殼)能夠吸引微小的物體。東漢時(shí)期王充在《論衡》中進(jìn)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(xiě)的《博物志》中寫(xiě)有“今人梳頭、脫著衣時(shí),有隨梳、解結(jié)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(zhì)料的內(nèi)衣摩擦起電的現(xiàn)象。
    古希臘是西方電磁學(xué)的發(fā)源地。在古希臘的文獻(xiàn)中記載了一些電磁現(xiàn)象。柏拉圖(前427—前347)曾提到“關(guān)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(lèi)植物的樹(shù)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(xí)慣把琥珀當(dāng)作高貴的裝飾品,經(jīng)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(guó)古代和古希臘關(guān)于電的知識(shí),都是由經(jīng)驗(yàn)得出的,比較零散。而且在一千多年的時(shí)間里很少進(jìn)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(guó)女王伊麗莎白一世的御醫(yī)。他在從事醫(yī)學(xué)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象進(jìn)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(jīng)過(guò)摩擦;磁石只能吸引有磁性的物體,而摩擦過(guò)的琥珀則能吸引任何小物體。吉爾伯特利用各種物質(zhì)做了許多摩擦起電的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)除琥珀外,金剛石、藍(lán)寶石、水晶、玻璃、硫磺、硬樹(shù)脂、云母、巖鹽等,摩擦后也能吸引小物體。吉爾伯特把經(jīng)過(guò)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(lái)源。為了確定一種物質(zhì)是不是帶電體,他發(fā)明了第一個(gè)可供實(shí)驗(yàn)用的驗(yàn)電器用一根極細(xì)的金屬棒,中心平衡在一個(gè)尖端上,可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。由于棒很輕,當(dāng)摩擦后帶電的物體靠近棒時(shí),棒被吸引而轉(zhuǎn)動(dòng)。
    奧托·格里克發(fā)明摩擦起電機(jī) 奧托·格里克(1602—1686)是一個(gè)多才多藝的工程師,當(dāng)過(guò)35年德國(guó)馬德堡市市長(zhǎng)。1654年他利用自己發(fā)明的抽氣機(jī)做過(guò)的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。1660年又發(fā)明了第一臺(tái)可產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機(jī),為進(jìn)一步研究電創(chuàng)造了條件。格里克的摩擦起電機(jī)是把一個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),把干手掌放在球上,手與球發(fā)生摩擦,從而產(chǎn)生電。格里克用這個(gè)摩擦起電機(jī)做了許多有趣的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到物體放電時(shí)的電火花。后來(lái)牛頓對(duì)摩擦起電機(jī)作了改進(jìn),用玻璃球代替硫磺球,制成摩擦起電機(jī)。以后又有人不斷改進(jìn)摩擦起電機(jī)。利用它做各種實(shí)驗(yàn),產(chǎn)生新奇的電現(xiàn)象,特別是產(chǎn)生強(qiáng)大的火花,和從人身上產(chǎn)生火花,引起世人驚奇。使得18世紀(jì)40年代的德國(guó),整個(gè)社會(huì)都對(duì)電現(xiàn)象感興趣,許多人出于好奇心,購(gòu)買(mǎi)摩擦起電機(jī)作實(shí)驗(yàn),作為娛樂(lè)。大大地普及了電學(xué)知識(shí)。
    格雷發(fā)現(xiàn)電的傳導(dǎo) 斯蒂芬·格雷(1666—1736)生于英國(guó)一個(gè)手工藝家庭,精于工藝。晚年對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)很感興趣,連續(xù)進(jìn)行了三年研究,最重要的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了電的傳導(dǎo)現(xiàn)象,確定了有的物體是導(dǎo)電體,有的物體是非導(dǎo)電體。格雷用不同材料研究電究竟能傳多遠(yuǎn),他用木棍、麻線、釣魚(yú)竿等做過(guò)多次實(shí)驗(yàn),最長(zhǎng)的達(dá)650英尺(約200m)。實(shí)驗(yàn)中為了把用來(lái)傳電的麻繩懸吊起來(lái),他曾用絲線和銅絲懸掛麻繩,結(jié)果發(fā)現(xiàn)用銅絲時(shí),電就不能沿麻繩傳導(dǎo)了。他猜想,可能是電通過(guò)銅絲和鐵釘跑掉了。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)后他發(fā)現(xiàn),電通過(guò)金屬比通過(guò)絲綢更容易傳導(dǎo),因此,把電容易通過(guò)的物體(如金屬)叫做導(dǎo)電體,而把電難以通過(guò)的物體(如絲線)叫非導(dǎo)電體。格雷還做過(guò)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn):把一個(gè)小孩用幾根粗絲繩水平吊起來(lái),用摩擦過(guò)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(dǎo)電體。
    杜菲發(fā)現(xiàn)電有兩種法國(guó)科學(xué)家杜菲(1698—1739)在巴黎科學(xué)院從事化學(xué)研究。因受到格雷研究成就的鼓舞,從1732年開(kāi)始也進(jìn)行電學(xué)研究。結(jié)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(xué)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(kāi)去。后來(lái)許多學(xué)者研究這一現(xiàn)象,并提出各種假說(shuō)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(dǎo),做了許多實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論:除金屬和軟材料外的所有物體都能摩擦起電;導(dǎo)體必須用絕緣體架起來(lái)才能帶電;物體的帶電跟顏色沒(méi)有關(guān)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(kāi)。他認(rèn)為這是兩者接觸時(shí)玻璃管把電傳給了金箔,然后就排斥它。杜菲用羊毛摩擦過(guò)的樹(shù)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(shù)脂棒排斥,而是被吸引。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn),杜菲終于確定電有兩種,其中一種他稱(chēng)之為玻璃電(就是現(xiàn)在所說(shuō)的正電),另一種稱(chēng)之為樹(shù)脂電(即現(xiàn)在所說(shuō)的負(fù)電)。這兩種電的特點(diǎn)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(xué)的物理學(xué)家穆欣布羅克(1692—1761)在從事電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí),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(jī)玻璃球傳來(lái)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(shí)自己使勁轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)。助手不慎將另一只手碰到槍管上,感到一次強(qiáng)烈的電擊,大喊起來(lái)。穆欣布羅克與助手互換位置,讓助手搖動(dòng)起電機(jī),自己一手拿瓶,另一手去碰槍管,也遭到電擊。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明,把帶電體放在玻璃瓶中可以把電保存起來(lái)。后來(lái)人們把這個(gè)蓄電的瓶子叫做“萊頓瓶”。萊頓瓶幾經(jīng)改進(jìn)后,瓶?jī)?nèi)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?jī)?nèi)表面接觸,瓶?jī)?nèi)盛水,增大了瓶的蓄電能力,可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電擊。放電時(shí)產(chǎn)生的電火花可以點(diǎn)燃火藥、氫氣等。萊頓瓶的出現(xiàn)為進(jìn)一步研究電現(xiàn)象提供了有力的手段。
    萊頓瓶產(chǎn)生的使人受到電擊的現(xiàn)象,引起人們的好奇。當(dāng)時(shí)人們用萊頓瓶做電擊示范表演成了一種娛樂(lè)游戲。最出色的一次表演是法國(guó)電學(xué)家諾萊特在巴黎圣母院前進(jìn)行的。他請(qǐng)700個(gè)修道士手拉手排列起來(lái),讓排頭者手拿萊頓瓶,排尾者手握萊頓瓶的引線,當(dāng)他讓萊頓瓶通過(guò)他們放電時(shí),整個(gè)隊(duì)伍突然同時(shí)跳了起來(lái)。在場(chǎng)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(fēng)箏實(shí)驗(yàn) 萊頓瓶出現(xiàn)后,有人便用它到處表演電學(xué)實(shí)驗(yàn),并越過(guò)大洋傳到了美國(guó)。富蘭克林(1706—1790)就是在1746年看了從蘇格蘭到美國(guó)的史賓斯博士表演的萊頓瓶實(shí)驗(yàn)后,開(kāi)始研究電學(xué)的。當(dāng)時(shí)富蘭克林已經(jīng)40歲,在事業(yè)上已有所成就,成為社會(huì)名流。他看了史賓斯表演的電學(xué)實(shí)驗(yàn)后,感到極新鮮,又驚又喜。當(dāng)時(shí)倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)員柯林孫贈(zèng)給富蘭克林的圖書(shū)館一根玻璃管和用以做實(shí)驗(yàn)的說(shuō)明書(shū),富蘭克林就用它熱烈地實(shí)驗(yàn)起來(lái)。后來(lái)又在自己的玻璃廠中制作實(shí)驗(yàn)工具。他開(kāi)始做電學(xué)實(shí)驗(yàn)后,根據(jù)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(chǎn)生的。他想到用風(fēng)箏把雷雨云中的電直接引下來(lái)做實(shí)驗(yàn)。他用絲手帕糊了個(gè)風(fēng)箏,風(fēng)箏上安裝一根尖鐵絲用來(lái)引云中的電,鐵絲與放風(fēng)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(dǎo)體,以備引出電來(lái),放風(fēng)箏時(shí)手握絲帶,以防電通過(guò)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(lái)到牧場(chǎng),把風(fēng)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(lái),跟摩擦產(chǎn)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(guò);他使萊頓瓶充電,再放電,產(chǎn)生的效果都跟摩擦電完全相同。這就是的富蘭克林費(fèi)城風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)。它清楚地證明了雷電就是一種放電現(xiàn)象,使人類(lèi)對(duì)電的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。后來(lái)富蘭克林在此基礎(chǔ)上發(fā)明了避雷針。
    庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)平方反比定律 庫(kù)侖(1736—1806)是法國(guó)工程師和科學(xué)家。在土木工程、機(jī)械力學(xué)和摩擦方面作過(guò)許多研究并發(fā)表論文。1785年開(kāi)始研究電學(xué)。用他發(fā)明的扭秤研究帶電體間的相互作用,建立了庫(kù)侖定律。庫(kù)侖制作的扭秤十分精細(xì)靈敏,使得他有可能直接測(cè)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(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn),使電學(xué)進(jìn)入了定量科學(xué)階段,為靜電學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1881年第xx屆國(guó)際電學(xué)大會(huì)決定用庫(kù)侖作為電量單位。