庫倫:近代電磁學的奠基人

2020-12-05 天極網資訊

　　1806年8月23日，法國著名物理學家庫倫逝世，庫倫最主要的成就是發現兩個電極之間相互作用力的定律，即庫侖定律。

　　庫侖在1736年6月14日生於法國昂古萊姆，家庭殷實，在青少年時期，他就受到了良好的教育。後來到巴黎軍事工程學院學習，離開學校後，他進入西印度馬提尼克皇家工程公司工作。工作了八年以後，他又在埃克斯島瑟堡等地服役。這時庫侖就已開始從事科學研究工作，他把主要精力放在研究工程力學和靜力學問題上。他在軍隊裡從事了多年的軍事建築工作，為他1773年發表的有關材料強度的論文積累了材料。在這篇論文裡，庫侖提出了計算物體上應力和應變的分布的方法，這種方法成了結構工程的理論基礎，一直沿用到現在。

　　1777年法國科學院懸賞，徵求改良航海指南針中的磁針的方法。庫侖認為磁針支架在軸上，必然會帶來摩擦，要改良磁針，必須從這根本問題著手。他提出用細頭髮絲或絲線懸掛磁針。同時他對磁力進行深入細緻的研究，特別注意了溫度對磁體性質的影響。他又發現線扭轉時的扭力和針轉過的角度成比例關係，從而可利用這種裝置算出靜電力或磁力的大小。這導致他發明了扭秤，扭秤能以極高的精度測出非常小的力。由於成功地設計了新的指南針結構以及在研究普通機械理論方面作出的貢獻，1782年，他當選為法國科學院院士。為了保持較好的科學實驗條件，他仍在軍隊中服務，但他的名字在科學界已為人所共知。

　　建立庫侖定律

　　通過精密的實驗對電荷間的作用力作了一系列的研究，連續在皇家科學院備忘錄中發表了很多相關的文章。 1785年，庫侖用自己發明的扭秤建立了靜電學中著名的庫侖定律。同年，他在給法國科學院的《電力定律》的論文中詳細地介紹了他的實驗裝置、測試經過和實驗結果。

　　扭秤實驗

　　是由一根懸掛在細長線上的輕棒和在輕棒兩端附著的兩隻平衡球構成的。當球上沒有力作用時，棒取一定的平衡位置。如果兩球中有一個帶電，同時把另一個帶同種電荷的小球放在它附近，則會有電力作用在這個球上，球可以移動，使棒繞著懸掛點轉動，直到懸線的扭力與電的作用力達到平衡時為止。因為懸線很細，很小的力作用在球上就能使棒顯著地偏離其原來位置，轉動的角度與力的大小成正比。庫侖讓這個可移動球和固定的球帶上不同量的電荷，並改變它們之間的距離：第一次，兩球相距36個刻度，測得銀線的旋轉角度為36度。第二次，兩球相距18個刻度，測得銀線的旋轉角度為144度。第三次，兩球相距8.5個刻度，測得銀線的旋轉角度為575.5度。上述實驗表明，兩個電荷之間的距離為4：2：1時，扭轉角為1：4：16。由於扭轉角的大小與扭力成反比，所以得到：兩電荷間的斥力的大小與距離的平方成反比。庫侖認為第三次的偏差是由漏電所致。經過了這們巧妙的安排，仔細實驗，反覆的測量，並對實驗結果進行分析，找出誤差產生的原因，進行修正，庫侖終於測定了帶等量同種電荷的小球之間的斥力。但是對於異種電荷之間的引力，用扭稱來測量就遇到了麻煩。因為金屬絲的扭轉的回覆力矩僅與角度的一次方成比例，這就不能保證扭稱的穩定。經過反覆的思考，庫侖發明了電擺。他利用與單擺相類似的方法測定了異種電荷之間的引力也與它們的距離的平方成反比。

　　庫侖定律

　　最後庫侖終於找出了在真空中兩個點電荷之間的相互作用力與兩點電荷所帶的電量及它們之間的距離的定量關係，這就是靜電學中的庫侖定律，即兩電荷間的力與兩電荷的乘積成正比，與兩者的距離平方成反比。庫侖定律是電學發展史上的第一個定量規律，它使電學的研究從定性進入定量階段，是電學史中的一塊重要的裡程碑。電荷的單位庫侖就是以他的姓氏命名的。

　　磁學應用

　　1789年法國大革命爆發，庫倫隱居在自己的領地裡，每天全身心地投入到科學研究的工作中去。同年，他的一部重要著作問世，在這部書裡，他對有兩種形式的電的認識發展到磁學理論方面，並歸納出類似於兩個點電荷相互作用的兩個磁極相互作用定律。庫侖以自己一系列的著作豐富了電學與磁學研究的計量方法，將牛頓的力學原理擴展到電學與磁學中。庫侖的研究為電磁學的發展、電磁場理論的建立開拓了道路。這是他的扭秤在精密測量儀器及物理學的其它方面也得到了廣泛的應用。庫侖不僅在力學和電學上都做出了重大的貢獻，做為一名工程師，他在工程方面也作出過重要的貢獻。他曾設計了一種水下作業法。這種作業法類似於現代的沉箱，它是應用在橋梁等水下建築施工中的一種很重要的方法。

　　他還給我們留下了諸多寶貴的著作，其中最主要的有《電氣與磁性》一書，共七卷，於1785年至1789年先後公開出版發行。庫侖是十八世紀最偉大的物理學家之一。

　　人物百科

　　庫倫於1736年6月14日生於昂古萊姆。1761年畢業於軍事工程學校，並作為軍事工程師服役多年。後因健康日壞，被迫回家，因此有閒暇從事科學研究。由於他寫的一篇題為《簡單機械論》（Theoriedes　Machines　Simples）的報告而獲得法國科學院的獎勵，並由此於1781年當選為法國科學院院士。法國大革命時期，他辭去公職，在布盧瓦附近鄉村過隱居生活，拿破崙執政後，他返回巴黎，繼續進行研究工作。1806年8月23日在巴黎逝世。

　　（科普中國出品，8月23日綜合報導)

（作者：科普中國責任編輯：天極科普君）

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