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第12章 发现库仑定律

带电体之间相互作用的情况是怎样的呢?先做一个有趣的实验:把半张干燥的报纸剪成十几个窄条,每条都不剪到头,使它们的上部仍旧连着。然后把剪过的报纸铺在门板上,用一只手按住上部,另一只手在纸条上来回刷一阵子。取下报纸,手捏住报纸上部,围成圆圈。这时,这些纸条不是竖直下垂,而是向四周散开,好像一条张开的“裙子”。假如你用带负电的橡胶棒从下面伸进“裙筒”,“裙子”张得更开了;如果用带正电的玻璃棒从下面伸进“裙筒”,还没等伸进去,纸条立刻都聚拢到玻璃棒上,经过摩擦的纸条带上了负电,就张成“裙子”,这是负电荷相互作用的结果。实验证明,带同种电荷的物体互相排斥,带异种电荷的物体互相吸引。带电体所特有的这种相互作用性质,简单叫做同性相斥、异性相吸。

库仑带电体之间相互作用力的大小,最早是在1785年,由法国物理学家库仑利用库仑扭秤测出的,他从中总结出了两个点电荷之间的相互作用定律。当带电体的大小比带电体之间距离小得多的时候,这些带电体就可以看成是点电荷,就是电荷好像集中在一个点上。

库仑指出,两个点电荷之间的相互作用力,跟它们所带的电量乘积成正比,跟它们之间的距离平方成反比,作用力的方向在这两个点电荷的连线上。点电荷用q1、q2表示,距离用r表示,写成公式是:

F=kq1q2r2

库仑定律这就是库仑定律,力F称作库仑力,k是一个和单位选定有关的比例常数。电荷同号的时候,库仑力是正的,表示排斥;电荷异号的时候,库仑力是负的,表示吸引。

电荷之间的这种相互作用是怎样产生的呢?原先人们都以为它是用无限大的速度在两个带电体之间直接传递的,叫做“超距作用”。后来,法拉第认为,电荷之间的相互作用不是直接传递,而是通过中间媒质用有限的速度传递的。这种相互作用叫做“媒递作用”,是电场概念的起源。电场是一种特殊的物质,在电荷周围,总存在着电场;正是通过电场,才对场中其他电荷发生力的作用。静止电荷周围形成的电场,称作静电场。

静电场对场中静止电荷的作用力叫做静电力,也就是库仑力。

库仑定律的建立,使电学研究进入了定量阶段,为电磁学作为一门精密的科学奠定了基础。知识点牛顿第三定律牛顿第三定律,是指两个物体之间的作用力和反作用力,总是同时在同一条直线上,大小相等,方向相反。即F1=-F2(N=N′),其内容指:①力的作用是相互的,同时出现,同时消失。②相互作用力一定是相同性质的力。③作用力和反作用力作用在两个物体上,产生的作用不能相互抵消。④作用力也可以叫做反作用力,只是选择的参照物不同。⑤作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上,所以不能求合力。发现电流任何事物都具有这样的特点,运动着的客体都要比它处于相对静止时,更能显露出它的本质和丰富多彩的性质。因此,电流的发现不仅是对电荷本身认识有质的飞跃,开辟了一个动电学的新领域,而且也打开了探索电现象与其他物理现象内在联系的大门。

伽伐尼

最先发现电流的是意大利的伽伐尼。伽伐尼是意大利波洛尼亚大学的解剖学和医学教授。那个时候,在实验室里放上起电机是很时髦的事,就像我们今天上互联网一样,伽伐尼的实验桌上也有这样的一台仪器。他的妻子根据丈夫的嘱咐用蛙腿做菜肴,她把剥去皮的青蛙随手放在起电机旁的金属板上。并取了一把解剖刀,解剖刀很偶然地触及了青蛙的腿神经,这时起电机刚好飞过一个火花,青蛙腿猛地抽搐了一下。妻子惊讶地叫了起来,引起了伽伐尼的注意,于是他立即重复了这个实验。

电流的发现,使电流研究开始由静电转向动电的领域,并成为后来世界走上电气化的重要跳板。那么,电流最初是怎么发现的呢?

在1791年发表的《论在肌肉运动中的电力》一文中,伽伐尼如下记述当时的经历:“我把青蛙放在桌上,注意到了完全是意外的一种情况。在桌子上还有一部起电机……我的一个助手偶然把解剖刀的刀尖碰到青蛙腿上的神经……另一个助手发现,当起电机的起电器上的导体发出火花时,这个青蛙抽动了一下……因这现象而惊异的他立即引起了我的注意,虽然我当时考虑着完全另外的事情,并且是全神贯注于自己的思想的。”伽伐尼在重复这个实验的时候,观察到了同样的现象。他发现,用金属接触神经和发出电火花都是必要条件。之后,他又以严谨的科学态度,选择不同的条件,在不同的日子做了这类实验。起先,他用铜丝与铁窗连着,在雨天和晴天做实验,他发现无论是晴天还是雨天,青蛙腿都发生了痉挛。于是他认为这是“大气电”的作用。现在我们知道,他得出这个结论,是受了富兰克林大气电实验的影响。但是后来,他找了一间密闭的房间,将青蛙放在铁板上,用铜丝去触它,结果跟以往一样,蛙腿也发生了痉挛性收缩,这就排除了外来电的可能。在上面提到的论文中,他继续写道:“我选择不同的日子,不同的时候,用各种不同的金属多次重复,总是得到相同的结果,只是在使用某些金属时,收缩更加强烈而已。以后,我又用各种不同的物体来做这个实验,但是用诸如玻璃、橡胶、松香、石头和干木头来代替金属导体时,就不会发生这样的现象。”这些现象使伽伐尼猜想到,在动物体内存在着某种电,如果使神经和肌肉与两种不同的金属接触,再使这两种金属相接触,这种电就会被激发出来,所以这很可能是从神经传到肌肉的特殊的电流质引起的。每根肌纤维就是一个小电容器,放电时便产生收缩。伽伐尼的解释由于缺少必要的知识,并不正确。青蛙腿抽搐是因为青蛙腿上的神经受到了电刺激,产生新的生物电,后者沿神经传导到肌肉,引起了肌肉的紧张收缩。

还原解剖青蛙实验的绘画作品

这样反复做了上百次实验,连续观察6年之久,伽伐尼才下了结论。他认为:电来自蛙体的神经,而两种金属的导体只不过起传导作用。他把这种电称为“动物电”,并且公开在波洛尼亚大学1791~1792年的工作纪要上发表了。从1780年开始发现电流现象到正式发表,前后经历了十几年,这充分说明伽伐尼治学态度的严谨。尽管当时对这种现象的本质还不十分清楚,但这种现象却意想不到地引起了科学界的关注。这时人们才发现,瑞士学者苏尔泽早在1750年就谈到过类似的发现。但是苏尔泽没有继续研究下去。伽伐尼的成功再次证明,机遇只属于那些有准备的头脑!

伏打伽伐尼的发现也引起了他的好友意大利物理学教授亚历山得罗·伏打的重视。1792年,伏打重复了伽伐尼的青蛙实验,认为伽伐尼得到的现象是对的,但解释是错误的。他做了一个颇有说服力的实验。将一块金币和一块银币同时顶住舌头,用导线将它们连接起来时,舌头感觉有酸苦味。因此,伏打认为,电的来源不是动物本身,而是两种金属的接触,肌肉或神经只是起传导和指示电流的作用。伽伐尼所发现的电流不应叫做“动物电”,而应称作“金属电”或“接触电”。

他为了尊重伽伐尼最先发现权,他把这种电流称之为“伽伐尼电流”。尽管对电流的来源有不同的看法,但电流的客观存在则是两个人取得的共同结论。

1796年,伏打把金属称为第一类导体或干导体,把含有金属元素的液体称为第二类导体或湿导体。他指出,电“循环”的先决条件是回路必须由2个(或更多个)第一类导体和一个第二类导体所组成。他用各种金属搭配,研究它们相互接触时产生电的情况。伏打电堆1797年,他提出了一个金属接触系列——著名的伏打系列:锌、锡、铅、铁、铜、银、金等,指出排在前面的金属将带正电,排在后面的金属将带负电。他还发现,将几种金属串接时,则电作用(电势差)由首、尾端的金属的性质决定,和中间的金属无关,这就是伏打定律。

伏打将两个第一类导体和一个第二类导体所组成一个产生电流的装置,把它叫做伽伐尼电池。后人又称之为“伏打电堆”。伏打还发现,将这些装置叠置起来,会得到强得多的电流。伏打电堆的发明,为后人提供了产生持续稳定电流的方法,使电学的研究由静电深入到动电,为电学的进一步发展创造了条件,为电化学的开创奠定了基础。

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