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第3章 库仑定律的发现

上节说到富兰克林的风筝实验,证明了天电和地电原来是一回事。富兰克林做过的许多电学实验,有一个是金属桶实验,实际上就是拿一个罐头盒,把木髓球悬吊着放在里面,让罐头盒带电,看木髓球受不受影响。富兰克林注意到,不管木髓球处在什么位置,都丝毫不受电的作用。富兰克林百思不解,就写信问他的好友英国人普列斯特利,请他重复这个实验并作出解释。普列斯特利虽然是化学家,对物理特别是电学也很熟悉,并且很了解牛顿的学说,他肯定了,富兰克林的实验,把牛顿的力学原理联系上来。牛顿从理论上证明,如果吸引力遵守平方反比定律,在空心的均匀球壳中任一质点,它所受各个方向的吸引力应互相抵消。普列斯特利想,这一现象会不会正好是说明电力和万有引力之间的相似性呢?既然万有引力遵守平方反比定律,电力会不会也遵守平方反比定律呢?牛顿在一个世纪以前就曾指出,重力、电力和磁力都属于同一类型的力(即所谓的长程力),遵守平方反比定律会不会就是它们之间的共同属性呢?于是,普列期特利根据类比方法作出了科学的预测。他的这种看法,在当时有一定的代表性,因为牛顿力学的巨大成就,使人们很自然地想到力学规律的普遍性。

1759年德国柏林科学院院士爱皮努斯,1760年法国数学家D伯努利都曾作过类似的猜测。但是真正要作出科学结论,还需从实验予以确证。

最早在这方面进行实验的是苏格兰的罗比逊。1769年,他注意到爱皮努斯写的书,对爱皮努斯的猜测感兴趣,就设,计了实验装置。这个装置很精巧,它是利用重力和电力互相平衡的原理来测电力跟距离的关系。设两小球带同性电,斥力会使转臂离开平衡位置改变距离,转动带有指针的支梁,直至使两球距离符合实验要求时为止,从转过的角度即可算出转矩,从而求出电力f跟距离r的关系。这个关系可以用公式f∞1r2+δ表示,其中δ叫指数偏差。罗比逊根据实验得出δ=006,他认为指数偏大原因应归于实验误差。

虽然罗比逊只对同性电的斥力进行过测量,但仍不失为从实验定量测量电力的首创者,也可以说他是库仑定律的最早发现者。遗憾的是,罗比逊对自己的工作缺乏信心,没有及时发表。

另一位实验者是英国人卡文迪什。他在1773年用两个同心金属做实验,外球壳是两个半球,合拢正好与内球同心。内球直径121英寸(31厘米),外球直径133英寸(34厘米),厚1/20英寸(0127厘米)。先用一根导线将莱顿瓶接到外球,使外球带电,内外球间也有导线相联,外球壳带电后即拆去联线。然后打开外球壳,用木髓球验电器试验内球是否带电。结果发现,木髓球验电器没有指示,证明内球没有带电,电荷完全分布在外球壳上。卡文迪什将这一实验重复了多次,确定指数偏差不超过002。

这是一个十分精确的实验,设计思想相当巧妙。然而,卡文迪什用的却是极其简陋而原始的实验仪器,他成功的关键在于,以牛顿的力学原理为借鉴,通过数学分析,将直接测量变为间接测量,用示零法来判断结果,这就充分发挥了人的主观能动性。

但是,卡文迪什的工作也没有及时发表。他的实验比库仑还早15年。直到1879年,一百年过去了,他的手稿由麦克斯韦整理发表,这件事才为世人所知。

库仑用扭秤直接测量电力和磁力的实验是众所周知的,他的电扭秤是一个直径和高均为30厘米的玻璃缸,上面盖一块玻璃板,盖板上开了两个洞。中间的洞装有一支高60厘米的玻璃管。管的顶端有一螺旋测角器,下连银丝,银丝下端挂一横杆,杆的一端为一小球,另一端贴一纸片作配平用。圆缸顶上刻有320个分格,可以读数。实验时先使一个小球带电,再使另一同样大的小球与之接触,于是两球均分电荷,产生斥力而分离。然后藉银扭丝恢复两球的原始位置,从扭丝的转角可以测知电力的大小。库仑从几次实验记录判定:电力与距离的平方成反比。

库仑没有改变电量与作用力的关系,他没有研究异性电荷的吸力,就径直得出电力与距离的平方成反比的普遍定律。显然库仑也是得益于牛顿的万有引力定律。牛顿力学的启示,使电学的发展缩短了相当长的路程,少走了许多弯路。否则,要从实验数据的积累总结归纳出实验定律,这个过程将会何等曲折!可见,类比的方法在科学发展的历程中起了多么重要的作用!

电力的平方反比定律也叫库仑定律,它的地位和引力的平方反比定律一样,在电学中是一个重要的基本定律。有了库仑定律,静电学的发展就势如破竹,很快形成了系统的理论。就在这个时候,能产生稳定电流的电池出现了。电学研究又出现了新局面。19世纪成了电学大发展的时代。

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