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21 库仑定律的确立

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2.1库仑定律的确立莱顿瓶、伏打电堆的发明,使人们看到的电作用的各种效应越来越多,有力 学、化学、生理方面的各种电现象为了表征电的作用,科学家们逐渐从纷繁的 电现象中把“电力”的概念抽象出来,用以说明带电体产生种种效应的能力德国科学院院土埃皮诺斯(F.U.T.Aepinns,公元1724—1802)于1750年 前后,发现带电体之间的距离缩短时,两者之间的吸引力或排斥力会明显增加; 而且,当一个导体移近一个带电体但不接触时,导体的远端获得了与带电体相同 的电荷,近端却获得与带电体相反的电荷,这就是我们知道的静电感应现象对 这两种现象,埃皮诺斯都未再进行深入研究德国人普利斯特别(J.Pfristley,公元1733—1804)按富兰克林1766年 给他的信中所建议的方法做实验,结果表明:当中空的金属容器带电时,其内表 面上没有任何电荷,在内部的空气中也不存在任何电力由此,普利斯特利大胆 地猜测:电的吸引力遵从与万有引力相同的规律,即力的大小与距离的平方成反 比的规律英国爱丁堡大学的罗宾森(J.Robios,公元1739—1805)的工作又前进了 一步1769年他用实验推测到了反平方力律他根据实验结果推算出电荷的排 斥力反比于电荷间距离的2.06次幕;异号电荷的吸引力反比于电荷间距的略小 于2的次幕。

于是,罗宾森断言:正确的电力律反比于距离的平方英国科学家卡文迪许(H.H.Cavendish,公元173l—1810)对静电学研究 作出了很大的贡献关于静电力律他用实验得出了很出色的结果卡文迪许曾在剑桥的彼得豪斯学院任教后来,这位被人称为“最富有的学 者,最有学问的富翁”却开始了奇特的隐居生活在自己的住所,他不接待来访 者,决然一身,甚至每天只用留在餐桌上的纸条来向女佣人预订他的正餐他的 一生都是在自己的实验室和图书馆里度过的他的著述、实验成果几乎从不发表 有人说他一生“比有史以来任何一个活到八十岁的人更少讲话”他的社交活 动,仅限于偶尔到皇家学会参加会议,或提交报告过了一个世纪,卡文迪许的遗著才由麦克斯韦整理成册并于1879年出版 麦克斯韦写道:“这些论文证明卡文迪许几乎预料到电学所有的伟大事实”卡文迪许于1772年就用同心球实验来验证静电力的乎方反比律他用胶纸 板做成直径为12.1英寸的球体和两个中空的直径稍微大些的半球球和半球均 用锡箔覆盖,以使它们成为较理想的导电体卡文迪许把内球和带电的外球施行电接触,然后把两者分开,之后他在内球 上寻找电荷,结果找不到,也就是两中空的半球内没有任何一点电的作用。

他设 想通过两半球腔内任一点P横切一刀,把球壳分成上下两部分,达两部分部分别 给P点一个静电力卡文迪许用数学方法证明了,只有当静电力aaa时,两部 分给P点的力才相互抵消,呈现不受电力的状态1777年卡文迪许向英国皇家 学会提出报告说:“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方如果 是这样的话,那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方” “物体 的其余部分处于中性状态”卡文迪许总结出了静电力公式:3 = 5 式中:^ = 2±0.02排斥力反比于2.02次 幕,吸引力反比于1.98次幕从卡文迪许的手稿中发现,他已提出了静电电容、电容率、电势等概念1781 年,他甚至于已完成了相当于预测欧姆定律的探讨遗憾的是,在他生前几乎就 没有发表他的研究成果,因而对那个时代的科学家没有什么促进和影响关于静电力的反平方律科学界公认是库仑用精湛的实验最后确立的,故称为 库仑定律法国物理学家库仑(C.A.Coulomb,公元1736 — 1806)出生在法国昂 古莱姆,以后在巴黎上学,青年时代他参了军,后来成为工程师,从事科学研究 当时法国政府要在布列塔尼挖掘通航运河,海军部派库仑去考察河床,而库仑根 据调查写了一个不宜挖掘该运河的计划,这就触怒了一些当权者,库仑被拘留 了起来。

事情过去之后,布列塔尼地方当局要给库仑一大笔酬金,但库仑仅接受 了一只秒表,以备实验之用库仑在从事毛发和金属丝的扭转弹性的研究中,发明了扭转天平即“扭 秤”由于这方面的突出成就,库仑于1781年当选为法国科学院院士1784年 法国科学院发出有奖征文,库仑应召对船用罗盘进行研究这样,库仑的科学 研究就从工程、建筑方面转到电磁学方面来了1785年,他在原来对扭力研究 的基础上,改进扭秤,又自行设计制作了一合精密的扭秤,最后终于确立了以他 名字命名的库仑定律这定律阐明:电荷之间的作用力与其距离的平方成反比, 与两者所带电量的乘积成正比库仑在实验中,用了一个直径和高均为12英寸的玻璃圆缸,上面盖一块玻 璃板,盖板中间有孔孔中装一根玻璃管,从盖板向上管高约24英寸一根根 质悬丝安在玻璃管上潞并穿过管伸进玻璃缸内,悬丝下端系在一长度小于12 英寸的横杆正中,杆的一端为木质小球,另一端贴一小纸块,以配重平衡使横杆 始终处在水平状态玻璃圆缸上刻有360个刻度,悬丝自由松开时,横杆上小 木球指零然后他使另一固定在底盘上的小球带电,再让两小球接触后分开, 以致两小球均带同等量电荷,互相排斥改变两小球的间距,测得电排斥力的力 律为反平方律。

之后,库仑特此实验推广到异号电荷的电吸引力,反平方律依然 成立库仑还用类似于卡文迪许的实验验证了反平方律他使一个绝缘的金后球A 带电,再用两个孤立(与其它物体绝缘)的金属半球壳套B和C,把A球套住 接触后再分开,则发现A不带电,而B、C都带电很明显,金属球所带的电 必定分布到两半球壳B,C表面上了,这只能是反平方律的结果这是因为:过 球壳内任一点a的对顶立体角的两锥体的底面是球壳面上的面元和&岛, 按立体角的定义所以0四牌)= (1明如果反平方力律成立,上的电荷对a点上试验电荷知的力为了皿伏,式中b是球壳上均匀面电荷密度,k是比例常数,对应的 &&面元上有力旗=格财%成作用在a点的乳上,片与苏方向相反, cn/y2)=i,大小相等,球壳上的每一面元都是 这样一一对应的,球壳对a点 的电力的合力为零球壳内没有电荷存在,正说明球壳内不存在电力,即力的 反平方律是正确的卡文迪许通过a点把球壳截成两半,反证定律的正确,也 是采用类似的证明思路库仑定律是电磁理论的重要基础它如果不成立,将会影响到整个的电磁 理论因此,库仑定律的验证至今也未停止,而且越做越精确假定力律按 "口 而变化1971年,威廉斯等人的实验结果为:八(223.1)X1"这说明库仑 定律是极严格成立的。

现代的这种验证方法,其基本思想却几乎与卡文迪许的相 同不过现代的实验验证是采用一整套光、电精密仪表、设备,使用电压为10千 伏、频率为4兆赫的交流电进行的。

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