正文 第3章 庫侖定律的發現(1 / 1)

上節說到富蘭克林的風箏實驗,證明了天電和地電原來是一回事。富蘭克林做過的許多電學實驗,有一個是金屬桶實驗,實際上就是拿一個罐頭盒,把木髓球懸吊著放在裏麵,讓罐頭盒帶電,看木髓球受不受影響。富蘭克林注意到,不管木髓球處在什麼位置,都絲毫不受電的作用。富蘭克林百思不解,就寫信問他的好友英國人普列斯特利,請他重複這個實驗並作出解釋。普列斯特利雖然是化學家,對物理特別是電學也很熟悉,並且很了解牛頓的學說,他肯定了,富蘭克林的實驗,把牛頓的力學原理聯係上來。牛頓從理論上證明,如果吸引力遵守平方反比定律,在空心的均勻球殼中任一質點,它所受各個方向的吸引力應互相抵消。普列斯特利想,這一現象會不會正好是說明電力和萬有引力之間的相似性呢?既然萬有引力遵守平方反比定律,電力會不會也遵守平方反比定律呢?牛頓在一個世紀以前就曾指出,重力、電力和磁力都屬於同一類型的力(即所謂的長程力),遵守平方反比定律會不會就是它們之間的共同屬性呢?於是,普列期特利根據類比方法作出了科學的預測。他的這種看法,在當時有一定的代表性,因為牛頓力學的巨大成就,使人們很自然地想到力學規律的普遍性。

1759年德國柏林科學院院士愛皮努斯,1760年法國數學家D伯努利都曾作過類似的猜測。但是真正要作出科學結論,還需從實驗予以確證。

最早在這方麵進行實驗的是蘇格蘭的羅比遜。1769年,他注意到愛皮努斯寫的書,對愛皮努斯的猜測感興趣,就設,計了實驗裝置。這個裝置很精巧,它是利用重力和電力互相平衡的原理來測電力跟距離的關係。設兩小球帶同性電,斥力會使轉臂離開平衡位置改變距離,轉動帶有指針的支梁,直至使兩球距離符合實驗要求時為止,從轉過的角度即可算出轉矩,從而求出電力f跟距離r的關係。這個關係可以用公式f∞1r2+δ表示,其中δ叫指數偏差。羅比遜根據實驗得出δ=006,他認為指數偏大原因應歸於實驗誤差。

雖然羅比遜隻對同性電的斥力進行過測量,但仍不失為從實驗定量測量電力的首創者,也可以說他是庫侖定律的最早發現者。遺憾的是,羅比遜對自己的工作缺乏信心,沒有及時發表。

另一位實驗者是英國人卡文迪什。他在1773年用兩個同心金屬做實驗,外球殼是兩個半球,合攏正好與內球同心。內球直徑121英寸(31厘米),外球直徑133英寸(34厘米),厚1/20英寸(0127厘米)。先用一根導線將萊頓瓶接到外球,使外球帶電,內外球間也有導線相聯,外球殼帶電後即拆去聯線。然後打開外球殼,用木髓球驗電器試驗內球是否帶電。結果發現,木髓球驗電器沒有指示,證明內球沒有帶電,電荷完全分布在外球殼上。卡文迪什將這一實驗重複了多次,確定指數偏差不超過002。

這是一個十分精確的實驗,設計思想相當巧妙。然而,卡文迪什用的卻是極其簡陋而原始的實驗儀器,他成功的關鍵在於,以牛頓的力學原理為借鑒,通過數學分析,將直接測量變為間接測量,用示零法來判斷結果,這就充分發揮了人的主觀能動性。

但是,卡文迪什的工作也沒有及時發表。他的實驗比庫侖還早15年。直到1879年,一百年過去了,他的手稿由麥克斯韋整理發表,這件事才為世人所知。

庫侖用扭秤直接測量電力和磁力的實驗是眾所周知的,他的電扭秤是一個直徑和高均為30厘米的玻璃缸,上麵蓋一塊玻璃板,蓋板上開了兩個洞。中間的洞裝有一支高60厘米的玻璃管。管的頂端有一螺旋測角器,下連銀絲,銀絲下端掛一橫杆,杆的一端為一小球,另一端貼一紙片作配平用。圓缸頂上刻有320個分格,可以讀數。實驗時先使一個小球帶電,再使另一同樣大的小球與之接觸,於是兩球均分電荷,產生斥力而分離。然後藉銀扭絲恢複兩球的原始位置,從扭絲的轉角可以測知電力的大小。庫侖從幾次實驗記錄判定:電力與距離的平方成反比。

庫侖沒有改變電量與作用力的關係,他沒有研究異性電荷的吸力,就徑直得出電力與距離的平方成反比的普遍定律。顯然庫侖也是得益於牛頓的萬有引力定律。牛頓力學的啟示,使電學的發展縮短了相當長的路程,少走了許多彎路。否則,要從實驗數據的積累總結歸納出實驗定律,這個過程將會何等曲折!可見,類比的方法在科學發展的曆程中起了多麼重要的作用!

電力的平方反比定律也叫庫侖定律,它的地位和引力的平方反比定律一樣,在電學中是一個重要的基本定律。有了庫侖定律,靜電學的發展就勢如破竹,很快形成了係統的理論。就在這個時候,能產生穩定電流的電池出現了。電學研究又出現了新局麵。19世紀成了電學大發展的時代。