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1745年:电学的崛起与库仑定律的发现

时间:2023-08-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:1745年,正好是莱顿瓶刚刚发明、迅速流行的时间,英国商人彼得·柯林森向富兰克林的出版公司赠送了一支用于生产静电的玻璃管,并持续给富兰克林报道来自欧洲的电学新闻。在1753年,一位俄罗斯人在尝试风筝实验中可能被接引而来的球状闪电杀死。而库仑提出了电荷作用的平方反比律,并用扭秤实验测定了两个带电物体之间的力。

1745年:电学的崛起与库仑定律的发现

虽然诸如空气泵之类的仪器据说能够演示牛顿力学,但可想而知在演示实验中,娱乐性的元素更占主导。

特别是电学和磁学这些在18世纪还尚未数学化的领域,因为更强的娱乐性而风靡一时(图13.5.2)。比如在当时的时尚聚会中,先生和女士们互相用摩擦生电的小球或小棒逗趣,互相电击,让对方的头发立起来。

图13.5.1 1750年左右的版画,描绘的是当时流行的旋转球起电机

图13.5.2 时尚的先生和女士一定要试一试带电的吻(1730年)

荷兰的莱顿大学也是实验物理学的重镇,莱顿大学的福尔德(公元1643年—1709年)于1674年访问英格兰,随后就建立了“表演物理学”(Theatrum Physicum,直译是戏剧物理学),开始用抽气机等仪器做课堂演示。随后的威廉·雅各·范·格雷弗桑德(公元1688年—1742年)继续主张运用实验来讲授自然哲学

著名的莱顿瓶也是因为莱顿大学而得名,马森布罗克(公元1692年—1761年)于1745年发明了这种电容器(图13.5.3),很快就风靡全欧洲,大家争相用莱顿瓶来演示放电现象。最著名的一场表演是由法国电学家诺莱组织的,他在巴黎修道院门前调集了200名修道士,围成一个大圈,用铁丝连接起来,让充满电的莱顿瓶放电,然后观众们就看到几百个平时正儿八经的修道士一起惊声尖叫的恢弘场面。法国国王路易十五亲自出场观摩。

图13.5.3 1746年的版画,描绘给莱顿瓶充电

诺莱是一个实验物理学大家,他编写的《物理学课程》一书中提到了大约350种演示仪器。他也有理论,比如下面是他针对旋转球起电器(参见图13.5.1)的解释,这种起电器在1740年代也风靡一时,它甚至能在冰上打出电火花,特别让人惊叹。诺莱对摩擦起电现象的解释是:

“在被激发的如火的物质流从起电物体流出的同时,有别的这样的流流进去取代离开的东西。物体是受吸引还是受排斥,取决于物体是处在向内的流动比较强还是向外的流动比较强的位置。当这种微妙流动足够集中时,组成它们的粒子就会迎头相撞,冲破包围在粒子周围的硫磺类物质的封套,解放出其中的活性的似火物质。”[12](www.xing528.com)

诺莱认为他的这一理论是基于直截了当的事实,而不是假说。

当然富兰克林对电的解释就要靠谱许多了,他提出了电流、正电和负电的概念,为电学的理论与实验相整合打下了基础。

富兰克林最初是一个出版商,他与欧洲的朋友保持通信,以及时获得欧洲的时尚前沿信息,然后在美国印刷传播。电学实验这个新兴事物自然也是不容错过的信息。1745年,正好是莱顿瓶刚刚发明、迅速流行的时间,英国商人彼得·柯林森(Peter Collinson)向富兰克林的出版公司赠送了一支用于生产静电的玻璃管,并持续给富兰克林报道来自欧洲的电学新闻。富兰克林显然很感兴趣,很快就跟进欧洲的前沿,购置了一整套电学仪器(包括起电机和莱顿瓶),开始了一系列电学研究。在1748年,富兰克林干脆把自己的出版公司交给别人管理,自己建立了一个实验室埋头研究电学问题。

富兰克林的改进包括理论和实验两个方面。在理论方面,他接受了当时流行的“电是流体”的观点,但增添了正电和负电的概念,并明确了“电量守恒”的原则。

在实验仪器方面,富兰克林完善了起电机的制造,虽然很难说有什么革命性的创造,但是更加精致有效。用手柄驱动转轮带动玻璃球旋转,摩擦毛皮垫片产生静电,最后导入莱顿瓶中储存。后来富兰克林还发展出所谓“电池”(当然和之后的伏打电堆不同),就是把许多莱顿瓶并联起来,可以同时储存或释放大量静电。

得益于实验条件的提升,能够观察到的电火花现象日益明显,放电的强弱程度更加明显。在大量观察中,富兰克林总结出,越是尖锐的物体越容易吸引和放出电。同时,他也观察到电学仪器打出的电火花与天上的天火(闪电)有许多相似之处(1749年)。

在1750年富兰克林写给柯林森的信中,就提到了用实验检验天火的设想。他设想通过树立一根30英尺高的金属杆接引闪电到木质房屋内,因为更尖锐的物体更能引电,所以针状的金属杆最为适合。富兰克林本人并没有做这个实验,但他的信件被柯林森向欧洲科学界公开,引起了很大反响,一个法国人在1752年尝试了这个实验,据说成功了。后来的避雷针当然也是根据这个设计发展而来的。

在1752年,富兰克林提出了风筝实验的构想。但对于这个实验是否由他(甚至包括他的儿子一起)亲自做过,富兰克林从没有明确说过。世人熟知的故事版本出于普里斯特利的转述(当然,普里斯特利与富兰克林交情不错)。在1753年,一位俄罗斯人在尝试风筝实验中可能被接引而来的球状闪电杀死。

富兰克林身处电学的过渡时期,从早期以收集定性规律和表演为主,到逐渐定量化、数理化。他提出的电流、正电、负电与电荷守恒的概念都对这一过渡非常关键,可以说是整个现代电学理论体系的起点。在实验方面,他对仪器的改良和对实验的设计都产生了重要的影响,电学实验的重心从追求表演效果,逐渐转向定量分析。

直到18世纪末,以库仑和伏打的研究为代表,电学这一新兴学科逐渐成熟。

伏打发现不同的金属相接触会产生不同的电势差,并设计了静电计来测量电势差的大小。根据这些研究,伏打发明了能持续产生电流的电堆,为之后的动电研究打下了基础。

而库仑提出了电荷作用的平方反比律,并用扭秤实验测定了两个带电物体之间的力。但这一时期科学家的实验方法还很粗糙,例如库仑的扭秤实验仅仅提供了三组实验数据,而且其中一组数据并没有很好地符合平方反比律。

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