生活中的物理——靜電學的發展

2020-12-05 德德愛物理

我們冬天脫毛衣的時候總是聽到「噼噼啪啪」的聲音,黑暗的時候會看見毛衣有「火星」,早起梳頭的時候可以看見頭髮跟著梳子漂,越梳越亂,有時候我們去摸一件東西的時候,突然被電到了一下,其實這些都是因為靜電,下面讓我們一起來了解一下靜電的發展過程。

公元前600年前後,希臘哲學家泰勒斯發現了當時的希臘人摩擦琥珀吸引羽毛。但在當時人們認為「琥珀吸引微物是它們內在的能力」,並不能給出正確的結論。天上的雷電和手中的琥珀在人們看來這些現象與磁石吸鐵一樣,屬於物質具有的性質此外沒有任何聯繫。直到18世紀,通過美國人富蘭克林著名的在雷雨中放風箏的實驗,證明了雷電和摩擦帶電具有同樣的屬性。在中國,西漢末年已有「碡瑁(玳瑁)吸偌(細小物體之意)」的記載;晉朝時進一步還有關於摩擦起電引起放電現象的記載「今人梳頭,解著衣時,有隨梳解結有光者,亦有吒聲」

1600年,英國物理學家吉伯發現,不僅琥珀和煤玉摩擦後能吸引輕小物體,而且相當多的物質經摩擦後也都具有吸引輕小物體的性質,他注意到這些物質經摩擦後並不具備磁石那種指南北的性質。為了表明與磁性的不同,他採用琥珀的希臘字母拼音把這種性質稱為「電的」。吉伯在實驗過程中製作了第一隻驗電器,這是一根中心固定可轉動的金屬細棒,當與摩擦過的琥珀靠近時,金屬細棒可轉動指向琥珀。也是大約在1660年,馬德堡的蓋利克發明了第一臺摩擦起電機。他用硫磺製成形如地球儀的可轉動球體,用乾燥的手掌摩擦轉動球體,使之獲得電。蓋利克的摩擦起電機經過不斷改進,在靜電實驗研究中起著重要的作用,直到19世紀霍耳茨和推普勒分別發明感應起電機後才被取代。

18世紀電的研究迅速發展起來。1729年,英國的格雷在研究琥珀的電效應是否可傳遞給其他物體時發現導體和絕緣體的區別:金屬可導電,絲綢不導電。格雷的實驗引起法國迪費的注意。1733年迪費發現絕緣起來的金屬也可摩擦起電,因此他得出所有物體都可摩擦起電的結論。他把玻璃上產生的電叫做「玻璃的」,琥珀上產生的電與樹脂產生的相同,叫做「樹脂的」。他得到:帶相同電的物體互相排斥;帶不一樣電的物體彼此吸引。

1745年,荷蘭萊頓的穆申布魯克發明了能保存電的萊頓瓶。萊頓瓶的發明為電的進一步研究提供了條件,它對於電知識的傳播起到了重要的作用。差不多同時,美國的富蘭克林做了許多有意義的工作,使得人們對電的認識更加豐富。

1747年他根據實驗提出:在正常條件下電是以一定的量存在於所有物質中的一種元素;電跟流體一樣,摩擦的作用可以使它從一物體轉移到另一物體,但不能創造;任何孤立物體的電總量是不變的,這就是通常所說的電荷守恆定律。他把摩擦時物體獲得的電的多餘部分叫做帶正電,物體失去電而不足的部分叫做帶負電。嚴格地說,這種關於電的一元流體理論在今天看來並不正確,但他所使用的正電和負電的術語至今仍被採用。

富蘭克林在進行雷電實驗

他還觀察到導體的尖端更易於放電等。早在1749年,他就注意到雷閃與放電有許多相同之處,1752年他通過在雷雨天氣將風箏放入雲層,來進行雷擊實驗,證明了雷閃就是放電現象。在這個實驗中最幸運的是富蘭克林居然沒有被電死,因為這是一個危險的實驗,後來有人重複這種實驗時遭電擊身亡。富蘭克林還建議用避雷針來防護建築物免遭雷擊,1745年首先由狄維斯實現,這大概是電的第一個實際應用。

18世紀後期開始了電荷相互作用的定量研究。1776年,普裡斯特利發現帶電金屬容器內表面沒有電荷,猜測電力與萬有引力有相似的規律。1769年,魯賓孫通過作用在一個小球上電力和重力平衡的實驗,第一次直接測定了兩個電荷相互作用力與距離二次方成反比。1773年,卡文迪什推算出電力與距離的二次方成反比,他的這一實驗是近代精確驗證電力定律的雛形。

庫侖扭秤

1785年,庫侖設計了精巧的扭秤實驗,直接測定了兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比,與它們的電量乘積成正比。庫侖的實驗得到了世界的公認,從此電學的研究開始進入科學行列。1811年法國數學家泊松和德國數學家高斯把早先力學中拉普拉斯在萬有引力定律基礎上發展起來的勢論用於靜電推導出泊松方程和高斯定律,發展了靜電學的解析理論。

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