库仑:给电“定量”的人

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  当伽伐尼、伏打等科学家醉心于静电或持续电流的定性研究时,有的人则对两个带电体之间到底有多大电磁力进行深入的研究。电学发展中,从定性到定量,这个科学难题,被一位叫库仑的法国籍军人科学家成功解决……

  公元1777年,正在埃克斯瑟岛服兵役的库仑无意间看到一则通知,说是法国科学院对外悬赏,征集改良航海指南针的方案。这位出生于法国昂古莱姆市的中年军人,从28岁起便开始研究工程力学和静力学。37岁时,他发表了一篇关于材料强度的论文,文中提出了计算物体上应力和应变分布的方法。尽管这种方法后来成为结构工程的理论基础,沿用至今,但当时并没引起科学界的重视,库仑依旧默默无闻。当许多科学家醉心于持续电流的研究时,库仑则做着一个个关于磁学的实验。对磁力学研究颇深的他自然对这则悬赏通知格外重视。

  库仑静心思考,认为航海指南针改良的关键是磁针的精度;进一步观察得知,影响磁针精度的关键在于支架,因为磁针支架轴会与磁针产生摩擦。“何不用丝线或头发来悬挂磁针呢?支架轴与磁针的摩擦太大,丝线或头发悬挂的话,其摩擦力减少到可忽略不计。”某天,他脑海里冒出这样的念头。

  库仑根据设想进行多次实验,得出一个结论:丝线扭转时的扭力与针转过的角度成正比例关系,可用这种关系算出磁力的大小。这就是著名的弹性扭转定律。经过无数次实验,他发明了一种能以极高精度测出微小之力的工具——扭秤。再接再厉,库仑在此基础上成功改良了指南针,使其更加精确。公元1781年,库仑向法国科学院提交论文《关于制造磁针的最优方法的研究》。此文获得悬赏比赛头等奖。

  悬赏事件让库仑名气大增。公元1782年,他当选为法国科学院院士,并升为陆军中校。本来他可以搬到法国科学院工作,但出于种种考虑,他仍选择在军中服务。

  与此同时,意大利博洛尼亚大学的解剖学和生理学教授伽伐尼,对痉挛的死青蛙腿产生浓厚的兴趣,并经过试验得出这一现象是源自于青蛙体内的“动物电”,从而拉开持续电流研究的序幕(参看《他们的电学成就,居然源于一条青蛙腿!》)。

  和当时大多数科学家一样,库仑也对时髦的电学产生了极大的兴趣。“既然扭秤能测出磁力的大小,那是否也可以测出电量呢?”喜欢举一反三的他,开始新一轮的扭秤实验。

  他的实验由一根挂在细线上的绝缘小棒和绝缘小棒两端依附的平衡球组成。根据平衡球的带电情况,绝缘小棒变化如下:如果两个球都不带电,绝缘小棒将处理平衡位置;如果固定的一个带电,另一个带同种电(正电或负电)的平衡球接近它时,绝缘小棒将绕着悬点转动,产生扭力。

  “绝缘小棒转动的角度与扭力的大小成比例?”库仑大胆设想。为了证实这种想法,他分别把两个球带上不同性质的电,并不断改变它们的距离。通过精密的计算,反复的测量,库仑得出结论:两种带电物体间的斥力大小,与距离的平方成反比。

  同性相斥,异性相吸。解决有效测量带同种电物体的斥力后,库仑又投入到带异种电物体的引力大小的实验中。不久,他发明了电摆(注一),并利用与电摆类似的工作原理,得出一个结论:两种带电物体间的引力大小,也与距离的平方成反比。

  公元1785年,库仑在给法国科学院提交的论文《电力定律》中详细介绍了扭秤实验的过程,同时公布实验的结论:真空中两个静止的点电荷(注二)之间的相互作用力,与它们的电荷量的乘积成正比,与它们的距离的二次方成反比。后人称这个结论称为库仑定律。

  作为电学发展史上的第一个定量规律,库仑定律阐明了带电体相互作用的规律,为整个电磁学奠定了基础,堪称电磁学史上一块重要的里程碑。库仑定律成为物理学的基本定律之一。

  由于库仑实现了电学从定性到定量的飞跃,所以,科学界便以这位军人的姓(库仑)作为国际单位制导出单位电量的名称,中文简称“库”,英文简称“C”。

  话说库仑定律诞生之后,电学并没有得到很快的发展,因为当时科学家们主要研究静电,持续电流理念还未完全形成。而另一位物理学家别出心裁,投身到电与磁的研究中,拉开现代电磁学的序幕。请看下集《他那一跤,“摔”出现代电磁学!》

  人物小档案:查尔斯·奥古斯丁·库仑(Charles-Augustin de Coulomb, 1736~1806),法国工程师、物理学家。其主要贡献有扭秤实验、库仑定律等。

  1、 电摆,单摆的一种,通过电让单摆产生往复摆动。将无重细杆的细柔绳一端悬于重力场内一定点,另一端固结一个重小球,就构成单摆。

  2、 点电荷,即本身的线度比相互之间距离小得多的带电体。做定量研究电荷之间相互作用的实验时,针对有些电荷的大小对所结果带来的影响微不足道时,便把电荷的体积和大小忽略掉,把电荷看做只有电量,没有大小的电荷。它们就是点电荷。

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