「電力革命」08庫侖定律的建立(庫倫、卡文迪許)

2020-12-04 假裝科學

從1600年吉爾伯特正式開闢電學領域開始,長期以來都是定性的研究。而庫侖定律的建立,標誌著電學從定性描述正式走向了定量計算,他也是電學裡最重要的定律之一。

庫侖

1736年6月14日,查爾斯·奧古斯丁·庫侖出生於法國昂古萊姆,他的父親是當地受聘於皇家的巡視員。隨後他們全家搬到了巴黎,在此庫侖完成了學業。由於父親破產,他們又搬家到了蒙彼利埃,在此庫侖開始了他的科學研究。

1760年,庫侖回到巴黎參加了皇家工程學院的考試,獲得了優異的成績。1761年,庫侖以中尉工程師的身份加入了法國軍隊。此後的20年,庫侖就開始在各地參與防禦工事的建設。同時進行各種科學研究工作。

1781年,庫侖再次回到巴黎,當選科學院院士,專注科學研究和教育工作。1806年,庫侖在巴黎去世。他的名字後來被法國人刻在艾菲爾鐵上,以紀念他人類文明的發展做出巨大貢獻。1908年,他的名字被用於命名國際單位制下電荷的單位。

扭力秤

由於航海業的發展,人們對指南針的精確度要求越來越高。以往的指南針是用一根針來支撐磁鐵的,這個時候兩者的摩擦力較大,精度已經滿足不了當時的航海需求。

1773年,法國科學院開始懸賞徵集解決指南針精度的問題。1775年庫侖和斯雲登獨立的發明了用絲線懸掛磁針的方法,並獲得了獎金。

庫侖不僅提出了方法,還進行了理論分析和實驗驗證,在這個過程中他發現,當一根絲線受到扭轉力矩時候,它的扭轉角度跟絲線的材質、長度、直徑都有關係。

對於一根確定的絲線,其扭力矩與扭轉轉角成正比。根據這一個結論他製作了第一臺扭力稱,用這個工具,庫侖精確的測量了一天24小時地球的磁偏角的微小變化。

1780年,庫侖的扭力秤被巴黎天文臺採用。在用顯微鏡對磁針偏轉角進行觀察的時候,人們發現磁針處於微小的振動狀態,於是庫侖又開始進行了進一步的研究。

1784年,庫侖發表了《扭力和金屬絲彈性的理論實驗和研究》一文,在這篇文章中庫侖提出扭力秤的擺動是一種簡諧振動,並且給出了周期公式,進一步推導出了正確的扭力矩公式。

1785年,庫侖用他的扭力稱發現了靜電力的平方反比定律,1787年又發現了靜磁力的平方反比定律。卡文迪許用於測量萬有引力的扭力秤也是受到了庫侖扭力秤的啟發。

扭秤實驗

一開始,庫侖研究兩個同類電荷之間的排斥力,他在扭力絲下端懸掛一根水平杆,杆的一端有一個帶電小球,另一端的小球讓裝置保持平衡。

然後用另一個帶電小球靠近杆上帶電小球,當水平杆在靜電力和絲線扭轉力作用下達到平衡後,記錄下兩個小球的距離和扭力絲的旋轉角度。

改變兩個帶電小球的距離,重複實驗。庫侖很容易就發現,扭轉絲的扭轉力和兩個帶電小球距離的平方成反比。而實驗過程中的誤差,庫侖將其歸因於帶點小球在逐漸向空氣中放電。

電擺實驗

接下來,庫侖開始研究兩個帶異種電荷物體之間的引力,但卻不能得到準確的實驗結果。當杆上的在平衡位置附近時,稍微一晃動,就會被另一個帶電小球吸引過去。庫侖意識到,這是因為當兩小球靠近時候,扭力是線性增大,而靜電力是按照平方變化的。

但庫侖立刻又想到了另外一個解決辦法,這是他從研究扭力絲的擺動周期中得到的啟示。他將試探小球放到杆的延長線上。然後讓杆在水平方向做小幅度的簡諧擺動。

根據水平杆的擺動周期,庫侖計算出了兩個帶電小球之間的靜電引力。庫侖測量了不同距離下,兩者的靜電引力,很快又得到了平方反比的關係。

庫侖定律

經過扭力稱實驗和電擺實驗,庫侖提出了他關於靜電引力和靜電斥力的平方反比定律。而關於靜電力和帶電量的關係,庫侖並沒進行實驗。

庫侖認為靜電力和兩個小球的電量的乘積成正比,這是不證自明的。並且當時也沒有一個衡量帶電量的具體方法。

1839年左右,高斯根據庫侖定律提出了定義電荷量的辦法。當兩個帶有相同電荷量的物體,兩個距離為單位長度時,如果他們之間的為靜電力為單位力,則它們都具有單位電荷量。在高斯單位制中,電荷量的基本單位是靜庫侖,1靜庫侖≈3x10e9庫侖。

在關於電的本質觀念上,庫侖相信雙電流體存在,認為靜電力是不需要媒質的「超距作用''。與之對比,富蘭克林是單電流體超距作用擁護者,而杜菲和諾萊特是雙電流體和近距作用的擁護者,他們相信笛卡爾的漩渦說,認為帶電體周圍存在一種漩渦,正式這種漩渦的存在讓靜電力得以發生。

猜測階段

事實上在歷史上很多人都先於庫侖,而獨立的提出過這一關係,但多數人還停留在猜測階段。比如;

1759年,德國(後成為俄國人)物理學家弗朗茲·埃皮努斯在其《電力和磁性理論的嘗試》一書中就提出靜電引力和斥力遵循平方反比關係。

1760年如伯努利(提出流體的伯努利方程)和伏特(發明伏打電池)在研究平行板電容器的時候,也提出靜電力的平方反比定律。

1766年,富蘭克林在試驗中發現,木塞球放入帶電金屬杯內部後,軟木塞球不會出現任何異樣行為。他把這件事寫信告訴了普利斯特,希望普利斯特驗證這件事情,這其實就是最早的靜電屏蔽。

1767年,普利斯特在《電學的歷史和現狀》一文中寫到他對這個實驗的看法。他意識到這和萬有引力高度相似,因為早在1687年,牛頓就證明曾經證明,一個均勻的球殼,對其內部的任何一點的引力(合力)都為零。於是他也提出靜電力遵循平方反比定律。

1769年,蘇格蘭物理學家約翰·羅賓遜在看到埃皮努斯的猜測後,設計了一個巧妙的實驗,發現兩個帶有同種電的小球之間的排斥力,遵循平方反比定律(2.06)。

卡文迪許

1771年,卡文迪許開始研究靜電力,一開始他認為靜電力跟距離成反比,還據此推斷出帶電物體的電量更多的集中於表面。

1772年,了解到普利斯特的觀點和實驗,於是設計了一個更精巧的實驗。他將一個較小的金屬球放進一個大球殼裡,兩者先通過絕緣介質隔開,再用一根金屬絲連接。

隨後卡文迪許對外層球殼充電,卡文迪許分析,如果靜電力嚴格滿足平方反比定律,則外層帶電球殼對其內部不會有任何的靜電力。

卡文迪許的推導過程是模仿牛頓的的過程,在此我們做一個簡化的推導。假設你自己就是一個帶電體,現在你漂浮在一個巨大的、均勻帶電的球殼內任意一處。

現在你把雙手平伸,此時左手和右手連成一條直線,延長這條直線與球殼相交,此時在球殼上出現兩個交點。假設右手所指的點距離人較遠,是左手所指的點到人的距離的x倍。現在保持雙手成一條直線,讓右手向上抬起一個很小的角度。因為要保持左右手成一條直線,所以此時左手則對應向下偏移了同樣的角度。觀察兩手所指的點的移動距離,很容易推導出結論:右手對應點的偏移距離是左手對應點的x倍。繼續保持雙手在一條直線上,輕輕晃動手臂,在球殼上塗鴉,最後形成一大一小的兩個圓形區域。很容易知道,右手對應圓形的半徑,是左手對應圓形半徑的x倍。進一步推導,右手對應圓形的面積是左手對應的x的平方倍數,由於球殼的電荷是均勻分布的,所以這兩個圓形所帶的電荷量也是x的平方倍的關係。如果靜電力遵循平方反比定律,那麼左右手所對應的圓形區域,對人產生的靜電力的大小正好相等,方向正好相反,他們的合力就為零。更進一步,改變雙手所指的方向,可以畫出無數的成對的圓形小區域,他們的合力為零。最後這些成對的圓形小區域將會覆蓋整個球殼,進而可以推導出整個人在球殼內受到的靜電力為零。由於外層帶電球殼對其內部的任何地方的靜電力都為零,所以外層的電荷是不會在靜電力的作用下向內部的小球移動的,也就是內部的小球依舊會保持不帶電的狀態。如果金屬殼對內部沒有靜電力,那麼就不會有電荷流向內部的金屬球,也就是內部的金屬球是不會帶電的。

接下來卡文迪許斷開外層球殼和內部小球的金屬連線,然後分開外層球殼。最後用驗電器去檢測金屬小球,結果發現果然沒有任何帶電痕跡。

據此,卡文迪許得到了靜電力和距離的平方成反比的結論。再考慮到驗電器的靈敏性,卡文迪許認為他的誤差在2%以內。

精度提升

普利斯特的實驗必須在球殼不分開的情況下,去測量內部帶電體是否受到力的作用,這在實際操作中難度非常大。而卡文迪許的實驗,可以分開外層球殼進行測量,這就十分的方便了。

當然,卡文迪許的證明其實是有漏洞的,他只證明了,如果靜電力跟距離的平方成反比,則帶電球殼對內部的靜電力為0.但沒有證明它的反命題,即:如果金屬球殼對內部的靜電力為0,則靜電力與距離成反比。

這個關鍵問題在1876年高斯公布(1835年就證明)著名的高斯定理後,才得到了解決,這距離卡文迪許的實驗已經有100多年。

1773年,麥克斯韋和阿里斯特改進了卡文迪許的實驗,考慮了更多的實驗影響因素,通過測量內外球的電位差來檢驗,最後他們將實驗精確度提高到了1/21600。

此後物理學家們進一步實驗,引入了信號放大器和光學纖維等現代技術,進一步提高了測量精度,1936達到10e-9量級,而1971年實驗精度達到10e-16。

儘管這些實驗各有巧妙的設計,但這些實驗的最基本原理都沒有改變。庫侖定律也成為我們目前最精確的物理實驗定律。

科學家之所以這麼關心這個定律,是因為他是麥克斯韋電磁理論的基礎定律之一。根據麥克斯韋方程,如果庫侖定律有微小的偏差,那麼光就應該是有靜止質量的。進而不同頻率的光的速度就不同,愛因斯坦的狹義相對論就會被推翻。

相互成就

庫倫因為靜電力的平方反比定律而著名,但在後世很少人去重複他的實驗,反而是卡文迪許的實驗方法被發揚光大。

卡文迪許除了和米歇爾在科學上是朋友,幾乎沒有與任何人有過交流。但他得以揚名的測量萬有引力實驗,卻是以庫侖發明的扭力秤為基礎的,儘管他提高了靈敏度。

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