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静电学

2012-11-23 21:41:32 来源:

  我国古代和古希腊对静电现象的研究 我国是世界文明古国之一,在古代书籍中有许多电磁现象的记载。例如西汉末期的《春秋纬·考异邮》(公元前20年左右)中就有记载,说经过摩擦的玳瑁(一种跟龟相似的海生爬行动物的甲壳)能够吸引微小的物体。东汉时期王充在《论衡》中进一步记述了这种现象:“顿牟(即玳瑁)掇芥,磁石引针”。西晋张华在他写的《博物志》中写有“今人梳头、脱着衣时,有随梳、解结有光者,也有咤声”,记载了梳子与头发摩擦而起电,外衣与不同质料的内衣摩擦起电的现象。

 

  古希腊是西方电磁学的发源地。在古希腊的文献中记载了一些电磁现象。柏拉图(前427—前347)曾提到“关于琥珀和磁石的吸引是观察到的奇事”。表明公元前三百多年古希腊人就发现了琥珀吸引小物体的现象。(琥珀是松柏类植物的树脂流入地下后而成的化石,多为具有黄色光泽的透明固体,古希腊人习惯把琥珀当作高贵的装饰品,经常带在身上,这样就容易发现它有吸引轻小物体的现象。)

 

  我国古代和古希腊关于电的知识,都是由经验得出的,比较零散。而且在一千多年的时间里很少进展。

 

  吉尔伯特最先系统研究电磁现象 吉尔伯特(1544—1603)是一位医生,曾任英国女王伊丽莎白一世的御医。他在从事医学工作之余,潜心研究磁现象和摩擦起电现象。是第一批通过实验对电现象和磁现象进行系统研究的人,有许多重要发现。他首先确定琥珀的吸引和磁石的吸引是两种不同的现象。磁石本身就具有吸引力,而琥珀则要经过摩擦;磁石只能吸引有磁性的物体,而摩擦过的琥珀则能吸引任何小物体。吉尔伯特利用各种物质做了许多摩擦起电的实验,发现除琥珀外,金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、硫磺、硬树脂、云母、岩盐等,摩擦后也能吸引小物体。吉尔伯特把经过摩擦后能吸引小物体的物体叫做electric,意思是“琥珀体”,这就是西文中“电”的词根的来源。为了确定一种物质是不是带电体,他发明了第一个可供实验用的验电器用一根极细的金属棒,中心平衡在一个尖端上,可以自由转动。由于棒很轻,当摩擦后带电的物体靠近棒时,棒被吸引而转动。

 

  奥托·格里克发明摩擦起电机 奥托·格里克(1602—1686)是一个多才多艺的工程师,当过35年德国马德堡市市长。1654年他利用自己发明的抽气机做过著名的马德堡半球实验。1660年又发明了第一台可产生大量电荷的摩擦起电机,为进一步研究电创造了条件。格里克的摩擦起电机是把一个足球那样大小的硫磺球沿直径穿孔,插入铁轴,水平安装在座架上,使球能绕铁轴转动。转动时,把干手掌放在球上,手与球发生摩擦,从而产生电。格里克用这个摩擦起电机做了许多有趣的实验。通过实验观察到物体放电时的电火花。后来牛顿对摩擦起电机作了改进,用玻璃球代替硫磺球,制成摩擦起电机。以后又有人不断改进摩擦起电机。利用它做各种实验,产生新奇的电现象,特别是产生强大的火花,和从人身上产生火花,引起世人惊奇。使得18世纪40年代的德国,整个社会都对电现象感兴趣,许多人出于好奇心,购买摩擦起电机作实验,作为娱乐。大大地普及了电学知识。

 

  格雷发现电的传导 斯蒂芬·格雷(1666—1736)生于英国一个手工艺家庭,精于工艺。晚年对电学实验很感兴趣,连续进行了三年研究,最重要的贡献是发现了电的传导现象,确定了有的物体是导电体,有的物体是非导电体。格雷用不同材料研究电究竟能传多远,他用木棍、麻线、钓鱼竿等做过多次实验,最长的达650英尺(约200m)。实验中为了把用来传电的麻绳悬吊起来,他曾用丝线和铜丝悬挂麻绳,结果发现用铜丝时,电就不能沿麻绳传导了。他猜想,可能是电通过铜丝和铁钉跑掉了。进一步实验后他发现,电通过金属比通过丝绸更容易传导,因此,把电容易通过的物体(如金属)叫做导电体,而把电难以通过的物体(如丝线)叫非导电体。格雷还做过一个有趣的实验:把一个小孩用几根粗丝绳水平吊起来,用摩擦过的带电玻璃管接触小孩的胳臂,孩子的手和身体便能吸引羽毛和铜屑。这表明,人体也是导电体。

 

  杜菲发现电有两种法国科学家杜菲(1698—1739)在巴黎科学院从事化学研究。因受到格雷研究成就的鼓舞,从1732年开始也进行电学研究。结果发现了电有两种。

 

  从古代直到吉尔伯特研究电磁现象,人们只知道电的吸引现象。1629年意大利学者卡比奥(1586—1650)发现,摩擦带电的琥珀吸引小物体到它上面后,又把小物体排斥开去。后来许多学者研究这一现象,并提出各种假说解释它。一百多年后才被杜菲所解决。

 

  杜菲先研究摩擦起电和电的传导,做了许多实验,得出结论:除金属和软材料外的所有物体都能摩擦起电;导体必须用绝缘体架起来才能带电;物体的带电跟颜色没有关系。

 

  杜菲研究电的排斥现象,他用摩擦带电的玻璃管吸引金箔,金箔接触玻璃管后被排斥开。他认为这是两者接触时玻璃管把电传给了金箔,然后就排斥它。杜菲用羊毛摩擦过的树脂棒靠近被带电玻璃棒排斥的金箔,使他大为惊奇的是,金箔不被树脂棒排斥,而是被吸引。经过大量实验,杜菲终于确定电有两种,其中一种他称之为玻璃电(就是现在所说的正电),另一种称之为树脂电(即现在所说的负电)。这两种电的特点是,它们自己互相排斥,彼此互相吸引。

 

  莱顿瓶的出现及其影响 荷兰莱顿大学的物理学家穆欣布罗克(1692—1761)在从事电学实验时,看到好不容易使带电体所带的电很快在空气中消失,便想找出一种保存电的办法。有一次,他用丝线吊起一支枪管,用它接收从摩擦起电机玻璃球传来的电;在枪管的一端吊一根黄铜线,铜线的下端放入一只盛有水的玻璃瓶中。穆欣布罗克让助手一只手拿着玻璃瓶,同时自己使劲转动起电机。助手不慎将另一只手碰到枪管上,感到一次强烈的电击,大喊起来。穆欣布罗克与助手互换位置,让助手摇动起电机,自己一手拿瓶,另一手去碰枪管,也遭到电击。这个实验表明,把带电体放在玻璃瓶中可以把电保存起来。后来人们把这个蓄电的瓶子叫做“莱顿瓶”。莱顿瓶几经改进后,瓶内外表面都贴上金属箔,瓶盖上插一金属杆,杆上端装一金属小球,下端用金属链子与瓶内表面接触,瓶内盛水,增大了瓶的蓄电能力,可以产生更强的电击。放电时产生的电火花可以点燃火药、氢气等。莱顿瓶的出现为进一步研究电现象提供了有力的手段。

 

  莱顿瓶产生的使人受到电击的现象,引起人们的好奇。当时人们用莱顿瓶做电击示范表演成了一种娱乐游戏。最出色的一次表演是法国电学家诺莱特在巴黎圣母院前进行的。他请700个修道士手拉手排列起来,让排头者手拿莱顿瓶,排尾者手握莱顿瓶的引线,当他让莱顿瓶通过他们放电时,整个队伍突然同时跳了起来。在场观众被惊得目瞪口呆。这一表演显示了电的巨大威力。

  富兰克林的风筝实验 莱顿瓶出现后,有人便用它到处表演电学实验,并越过大洋传到了美国。富兰克林(1706—1790)就是在1746年看了从苏格兰到美国的史宾斯博士表演的莱顿瓶实验后,开始研究电学的。当时富兰克林已经40岁,在事业上已有所成就,成为社会名流。他看了史宾斯表演的电学实验后,感到极新鲜,又惊又喜。当时伦敦皇家学会会员柯林孙赠给富兰克林的图书馆一根玻璃管和用以做实验的说明书,富兰克林就用它热烈地实验起来。后来又在自己的玻璃厂中制作实验工具。他开始做电学实验后,根据自己所观察到的现象,想到闪电和电火花是同一种东西,猜想闪电是带电的云大量放电产生的。他想到用风筝把雷雨云中的电直接引下来做实验。他用丝手帕糊了个风筝,风筝上安装一根尖铁丝用来引云中的电,铁丝与放风筝的麻线连接在一起,麻线的下端系一段丝带和一把金属钥匙,钥匙作为导体,以备引出电来,放风筝时手握丝带,以防电通过身体受伤害。1752年7月,在大雷雨的一天,46岁的富兰克林带着21岁的儿子来到牧场,把风筝放到天上有闪电的云层中。他们观察到麻线上的小纤维都竖立起来,跟摩擦产生的电效果一样;他用手指靠近钥匙,立即有电火花从手指上闪过;他使莱顿瓶充电,再放电,产生的效果都跟摩擦电完全相同。这就是著名的富兰克林费城风筝实验。它清楚地证明了雷电就是一种放电现象,使人类对电的认识前进了一大步。后来富兰克林在此基础上发明了避雷针。

 

  库仑发现平方反比定律 库仑(1736—1806)是法国工程师和科学家。在土木工程、机械力学和摩擦方面作过许多研究并发表论文。1785年开始研究电学。用他发明的扭秤研究带电体间的相互作用,建立了库仑定律。库仑制作的扭秤十分精细灵敏,使得他有可能直接测量不同距离下电荷之间微弱的静电力,并且确立了平方反比定律。库仑定律的发现,使电学进入了定量科学阶段,为静电学奠定了基础。1881年第1届国际电学大会决定用库仑作为电量单位。

 

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