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1、word问苍天巧借雷电，向暴君争取富兰克林与其电荷守恒定律和电的本质的发现从远古开始，无论是中国还是西方都有对电、磁现象观察的记载。16世纪后半叶以后，实验风气逐渐兴起，人们发明了产生电荷和储存电荷的起电机、莱顿瓶，发现了电流，制成了最早的电源电堆。这不仅加深了人们对电现象和磁现象的认识，并且为进一步探索电磁现象的规律作好了物质准备。在静电学开展过程中不得不提到一位美国物理学家的重要贡献，那就是本节的主人公富兰克林。本杰明.富兰克林Benjamin Franklin, 1706-1790)出生于美国马萨诸塞州波士顿一个贫穷的制烛工人家庭，在家里十七个孩子中排行十五，是美国政治家、物理学家，同时
2、也是出版商、印刷商、记者、作家、慈善家；更是杰出的外交家与发明家。他是美国独立战争时重要的领导人之一，参与了多项重要文件的草拟，并曾出任美国驻法国大使，成功取得法国支持美国独立。 富兰克林富兰克林的初期创造才能表现在许多发明上，尤其著名的是改良火炉和双焦眼镜。但他的最大成就是在电学方面，其中他对静电学的最重要贡献是发现了电荷守恒定律。 1746年，居于美国费城的富兰克林收到了英国皇家学会朋友赠送的一只莱顿瓶与使用方法，这样莱顿瓶带来的电学知识很快就传播到了北美。富兰克林利用莱顿瓶做了大量的静电方面的实验，他发现，两个带有不同性质电荷的带电体相互接触后可以呈现中性。根裾这种相消性和数学上的正、负
3、数的概念，他把“阳电称为正电，把“阴电称为负电，并进一步从电荷的相消性，推出如下结论:正电和负电，在本质上不应有什么差异；摩擦起电过程中，总是形成等量的异种电荷；摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。于是，在上述推论的根底上，他总结出一个普遍的原理：电荷既不能创生也不能消灭，只不过是从某一个带电体转移到另外一个带电体；在电荷转移过程中，电荷的总量是不变的。这就是电荷守恒定律的最原始的表述方式。电荷守恒定律是物理学中一条比拟普遍的守恒定律，富兰克林为电磁学大厦建立了第一块颇为重要的奠基石。富兰克林的科学成就使得他于1756年当选为英国皇家学会的会员。富兰克林在公众中的名声
4、除发现电荷守恒定律外还有他的大气电实验，并以发现避雷针而达到了顶峰。当时人们关于火、燃 烧、闪电、火花和放电等现象的认识还很不清楚。特别对雷电的危害性之大有一种惧怕的心理，大多数人认为雷电是“上帝之火,是天神发怒的结果。富兰克林为破除这股迷信,一直思考着雷电的电与摩擦电本质上是否一样，区别在什么地方，从而导致了他所做的著名的天电实验。1752年7月的一天，天气闷热，乌云密布，电闪雷鸣，就在这大雷雨就要降临的时候，美国费城郊区上空升起了一只神竒的风筝，它是用丝绸做成的，顶部安装一根尖细的铁丝，风筝用麻绳系住，麻绳末端挂着一把钥匙，兴致勃勃地放风筝的那两个人就是富兰克林和他的儿子。他们放风筝不是为
5、了玩，而是冒着遭受雷击丧生的危险，在进展吸取“天电的实验，他把从云端“吸取的电荷收集在莱顿瓶中，并进展实验。他发现由此得来的电火可以使酒精燃烧，并可用来进展别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的。从而使雷电和摩擦起电统一了起来。富兰克林写了一篇论闪电和电气的一样的论文，阐述了雷电的本质。他明确指出：雷电现象不是“雷公雷母的发怒,它是自然界一种大规模的放电现象，耀眼的火花就是电闪，震耳欲聋的声音就是打雷。电闪不但可以在天空中离得很近的带异种电荷的云块之间发生，也可以在云地之间发生。当云地之间发生闪电的时候，在极强的闪电经过的路上，树木、房屋、人畜等就被击毁或者烧焦。富兰克林还根
6、据风筝上尖细铁丝能够吸引天电的发现，提出了制造避雷针的设想,使建筑物免遭雷击。富兰克林的避雷针能使云层安全放电，因而能保护建筑物本身。避雷针确实是灵验的，富兰克林以他电学上划时代的研究成果，成为蜚声世界的第一流科学家。关于避雷针在欧洲的普与和形状的设计还有一个插曲：1769年，意大利威尼斯的一座教堂被雷击毁，引起地下室火药爆炸，导致3000多人丧生。1772年，英国成立了讨论仓库免遭雷击对策委员会，首先提出制造避雷针方案的富兰克林作为英国皇家学会会员也被任命为委员，在讨论中对避雷针的顶端形状发生了尖头、圆头之争。有人想当然地认为圆头避雷针好；但富兰克林坚持尖头的，他力排众议，言之有理，最后被采
7、纳了。1776年，美国独立战争爆发以后，富兰克林因为积极参加独立运动，又是独立宣言的起草人之一，被作为叛逆者的领导人，而到英国人的憎恶，连他发明的避雷针也受到冷遇，横遭摒弃。英王乔治三世带头把宫殿和弹药仓库上的尖头避雷针砸掉,命令一律换为圆头避雷针，为了寻找扼杀富兰克林发明的“科学依据，使尖头避雷针在英国绝迹，偏执而愚蠢的国王还亲自向皇家学会会长普林格尔施加压力，要他公开宣布圆头避雷针比尖头更安全。好在普林格尔正直且坚持真理，拒绝执行国王的圣旨，义正辞严地说:“陛下，许多事情都可以按您的愿望去办，但是,不能做违背自然规律的事啊！美国独立战争期间，年老的富兰克林代表初创的美国出使法国，利用英法之
8、间的矛盾争取法国的援助，事实证明，他是担任这项使命的理想人选。或许这与人类进人了理性时代，有知识的法国人完全拜倒在这位曾经驯服了空中闪电，并将它引到地面的伟人脚下有很大关系。富兰克林集科学与政治成就于一身，他发明了摇椅，避雷针，改良了路灯，对气象、地质、声学与海洋航行等方面都有研究，并取得了不少成就；制定了新闻传播法，最先组织了消防厅，创立了近代的邮信制度，创立了议员的近代选举法。他把政治活动作为一种公民义务占据了他一生中的主导地位。这位“问苍天借雷电，向暴君取的英雄1790年卒于费城，终年84岁，费城人民为他举行了空前的葬礼。岁月难掩遗珠光泽能称量地球质量的“科学怪人卡文迪什和库仑定律18世
9、纪中叶以后,人们在同种电荷相互排斥和异神电荷相互吸引的根底上，提出了相互作用力的测量问题。人们借助已经确立的万有引力定律，对电力和磁力的规律做出种种猜想。有人从实验上加以证明。其中最早的是一位英国著名的科学家卡文迪什Henry Cavendish, 17311810)。卡文迪什出身贵族豪门，照例卡文迪什这等身份的人或者出入官场，扬威域，或者放浪形骸，寄情声色犬马之中，可是他生性古僻，平时连生人都不愿见到一个，在剑桥大学攻读四年，由于害怕教授而不参加考试。临终时甚至固执地要求单独死去。这个怪癖的人有一个而且仅有一个爱好，那就是科学研究，他倾尽毕生精力，独自进展研究度过了几乎60年。这是一个纯粹的
10、爱好，因为卡文迪许并不关心他研究的成果是否发表和他是否能得到荣誉，也不关心与他的好奇心无关的任何事情，他将详细记录一系列实验数据和结论的手稿与论文锁在柜子里直至他离开这个世界。卡文迪什终身未婚，他的侄子继承了一大笔财产和一大柜手稿后，捐钱给剑桥大学彼得豪斯学院实验室，这个实验室就是后来名闻天下的卡文迪什实验室，人类在那里第一次揭开原子的秘密，从1904年至1989年的85年间一共产生了29位诺贝尔奖得主 ，占剑桥大学诺奖总数的三分之一。其实早在1773年，在库仑之前12年卡文迪什就发现了“库仑定律，甚至其实验的精度超过后者。直到1879年，作为卡文迪什实验室的第一任主任的麦克斯韦出版了一此题为
11、尊敬的亨利卡文迪什的电学研究一书，才杷卡文迪什的工作公布于世：是他最早准确测定了万有引力的常数，是他最早提出了电荷间的作用力和距离平方成反比，是他在法拉第之先用实验演示了电容器的电容和填充的物质相关，早在欧姆定律公开发表的三十年前他就发现了导体两端的电势和流过的电流成正比。在化学上他甚至享有“化学家中的牛顿的美誉，是他最早提出水是由氢氧两种元素组成的。麦克斯韦在书中说:“这些论文证明卡文迪什几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学家们的著作而闻名于科学界。人们公认库仑定律是在1785年被发现的，库仑定律是电磁学中的一个根本定律，它的建立使电磁学进人了定量的研究，从而
12、使电磁学真正成为一门科学，并为后人研究电磁学打开了道路，为继续开展电动力学奠定了根底，因此它在静电学中的地位相当于力学中的万有引力定律。库仑CharlesAugustin de Coulomb 1736 -1806，法国工程师、物理学家。1736年6月14 日生于法国昂古莱姆富裕家庭。在青少年时期，他就受到了良好的教育，1761年毕业于巴黎军事工程学院，并作为军事工程师服役多年。后因健康日坏，被迫回家，因此有闲暇从事科学研究。由于他写的一篇题为简单机械论的报告而获得法国科学院的奖励，并由此于1781年当选为法国科学院院士。法国大革命时期，他辞去公职，在布卢瓦附近乡村过隐居生活，拿破仑执政后，他
13、返回巴黎，继续进展研究工作。1806年8月23日在巴黎逝世。库仑制造的扭秤的构造是：在一个直径和高度均为12英寸30厘米的玻璃圆筒上，盖一块直径为13英寸的玻璃板，板的正中钻有一孔，并装上高为2460厘米英寸的玻璃管，管子上端装有扭转测微计。端部中间有一只夹子，夹持一根极细的银丝，银丝连着一根浸过西班牙蜡的横秆，杆的一端有一小木髓球，另一端贴一小纸片与之平衡，使横秆呈水平位置，这一局部都装在玻璃筒。在玻璃盖板上另开有侧孔，孔放入另一只小木髓球，它可以与横杆上的小木髓球接触。这样，只要使侧孔处的小木髓球带电，然后与横杆上的另一只小木髓球接触，两只小球就带同种电荷，相互排斥而分开，银丝就呈现扭转。
14、屡次实验结果明确，扭转角的大小与扭力成正比，库仑在论文中举了一组数据：两小球相距36个刻度、18个刻度和8.5个刻度，即间距大体上是4：2：1，得到银丝分别扭转了36个刻度、144个刻度和576个刻度。即电力约为1：22：42。于是库仑得出了“带同号电的两球之间的斥力，与两球中心之间的距离的平方成反比的结论。库仑虽然直接测量了电荷之间作用力与距离的关系，但准确度毕竟有限，如果用平方反比关系表示，其指数偏差可达。显然他是在模仿万有引力定律库仑在另一篇论文中还提到磁力的平方反比关系，写道：“看来，磁流体即使不在本质上，至少也在性质上与电流体相似。基于这种相似性，可以假定这两种流体遵从假设干一样的定
15、律。也就是说，库仑在研究电力和磁力时也是把它们跟万有引力类比，事先建立了平方反比的概念。从库仑定律的发现经过我们可以看到类比在科学研究中所起的作用。如果不是先有万有引力定律的发现，单靠实验具体数据的积累,不知要到何年才能得到严格的库仑定律的表达式。实际上，整个静电学的开展，都是在借鉴和利用引力理论的已有成果的根底上取得的。在库仑之后，科学家们沿着牛顿引力理论开辟的道路继续走下去。欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、泊松、格林、高斯等人相继在电学理论上取得了成就。科学之路多波折，三尺讲台逐真理欧姆、奥斯特和安培18世纪末，电学从静电领域开展到电流领域。这个大飞跃发端于动物电的研究，意大利学者伽伐尼和伏打在
16、这方面起了先锋作用。1800年，伏打进一步把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源，这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中，也可以形成电源，叫做伏打电池。伏打为了尊重伽伐尼的先驱性工作，在自己的著作中总是称之为伽伐尼电池。所以，以他们两人名字命名的电池，实际上是一回事。伏打电堆电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能从各方面研究电流的各种效应。从此，电学进入了一个飞速开展的时期一一研究电流和电磁效应的新时期。电学根本定律之一欧姆定律，发现于1826年。乔治西蒙欧姆，德国物理学家。1789年3月16日生于德国埃尔朗根城，虽然欧姆的父母从未受过正规教育，但是他的父亲是一位受人尊敬的人，自学了数学和物理方面的知识并且高水平的自
