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庫侖:給電“定量”的人

當伽伐尼、伏打等科學家醉心于靜電或持續電流的定性研究時, 有的人則對兩個帶電體之間到底有多大電磁力進行深入的研究。 電學發展中, 從定性到定量, 這個科學難題, 被一位叫庫侖的法國籍軍人科學家成功解決……

法國物理學家庫侖(網路圖)

庫侖在科學界的揚名, 緣於一次懸賞事件。

西元1777年, 正在埃克斯瑟島服兵役的庫侖無意間看到一則通知, 說是法國科學院對外懸賞, 徵集改良航海指南針的方案。 這位出生於法國昂古萊姆市的中年軍人, 從28歲起便開始研究工程力學和靜力學。 37歲時, 他發表了一篇關於材料強度的論文, 文中提出了計算物體上應力和應變分佈的方法。 儘管這種方法後來成為結構工程的理論基礎, 沿用至今, 但當時並沒引起科學界的重視, 庫侖依舊默默無聞。 當許多科學家醉心于持續電流的研究時, 庫侖則做著一個個關於磁學的實驗。

對磁力學研究頗深的他自然對這則懸賞通知格外重視。

磁力學的重要運用——指南針(網路圖)

庫侖靜心思考, 認為航海指南針改良的關鍵是磁鍼的精度;進一步觀察得知, 影響磁鍼精度的關鍵在於支架, 因為磁鍼支架軸會與磁鍼產生摩擦。

“何不用絲線或頭髮來懸掛磁鍼呢?支架軸與磁鍼的摩擦太大, 絲線或頭髮懸掛的話, 其摩擦力減少到可忽略不計。 ”某天, 他腦海裡冒出這樣的念頭。

庫侖根據設想進行多次實驗, 得出一個結論:絲線扭轉時的扭力與針轉過的角度成正比例關係, 可用這種關係算出磁力的大小。 這就是著名的彈性扭轉定律。 經過無數次實驗, 他發明了一種能以極高精度測出微小之力的工具——扭秤。 再接再厲, 庫侖在此基礎上成功改良了指南針, 使其更加精確。 西元1781年, 庫侖向法國科學院提交論文《關於製造磁鍼的最優方法的研究》。 此文獲得懸賞比賽頭等獎。

庫侖扭秤(網路圖)

懸賞事件讓庫侖名氣大增。 西元1782年, 他當選為法國科學院院士, 並升為陸軍中校。 本來他可以搬到法國科學院工作, 但出於種種考慮, 他仍選擇在軍中服務。

與此同時, 義大利博洛尼亞大學的解剖學和生理學教授伽伐尼, 對痙攣的死青蛙腿產生濃厚的興趣, 並經過試驗得出這一現象是源自於青蛙體內的“動物電”,

從而拉開持續電流研究的序幕(參看《他們的電學成就, 居然源於一條青蛙腿!》)。

和當時大多數科學家一樣, 庫侖也對時髦的電學產生了極大的興趣。 “既然扭秤能測出磁力的大小, 那是否也可以測出電量呢?”喜歡舉一反三的他, 開始新一輪的扭秤實驗。

他的實驗由一根掛在細線上的絕緣小棒和絕緣小棒兩端依附的平衡球組成。 根據平衡球的帶電情況, 絕緣小棒變化如下:如果兩個球都不帶電, 絕緣小棒將處理平衡位置;如果固定的一個帶電, 另一個帶同種電(正電或負電)的平衡球接近它時, 絕緣小棒將繞著懸點轉動, 產生扭力。

“絕緣小棒轉動的角度與扭力的大小成比例?”庫侖大膽設想。 為了證實這種想法, 他分別把兩個球帶上不同性質的電,並不斷改變它們的距離。通過精密的計算,反復的測量,庫侖得出結論:兩種帶電物體間的斥力大小,與距離的平方成反比。

同性相斥,異性相吸。解決有效測量帶同種電物體的斥力後,庫侖又投入到帶異種電物體的引力大小的實驗中。不久,他發明了電擺(注一),並利用與電擺類似的工作原理,得出一個結論:兩種帶電物體間的引力大小,也與距離的平方成反比。

庫侖發明的電擺(網路圖)

西元1785年,庫侖在給法國科學院提交的論文《電力定律》中詳細介紹了扭秤實驗的過程,同時公佈實驗的結論:真空中兩個靜止的點電荷(注二)之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比。後人稱這個結論稱為庫侖定律。

作為電學發展史上的第一個定量規律,庫侖定律闡明了帶電體相互作用的規律,為整個電磁學奠定了基礎,堪稱電磁學史上一塊重要的里程碑。庫侖定律成為物理學的基本定律之一。

由於庫侖實現了電學從定性到定量的飛躍,所以,科學界便以這位軍人的姓(庫侖)作為國際單位制匯出單位電量的名稱,中文簡稱“庫”,英文簡稱“C”。

話說庫侖定律誕生之後,電學並沒有得到很快的發展,因為當時科學家們主要研究靜電,持續電流理念還未完全形成。而另一位物理學家別出心裁,投身到電與磁的研究中,拉開現代電磁學的序幕。請看下集《他那一跤,“摔”出現代電磁學!》

郵票上的庫侖。(網路圖)

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人物小檔案:查理斯·奥古斯丁·庫侖(Charles-Augustin de Coulomb, 1736~1806),法國工程師、物理學家。其主要貢獻有扭秤實驗、庫侖定律等。

【備註】

1、 電擺,單擺的一種,通過電讓單擺產生往復擺動。將無重細杆的細柔繩一端懸於重力場內一定點,另一端固結一個重小球,就構成單擺。

2、 點電荷,即本身的線度比相互之間距離小得多的帶電體。做定量研究電荷之間相互作用的實驗時,針對有些電荷的大小對所結果帶來的影響微不足道時,便把電荷的體積和大小忽略掉,把電荷看做只有電量,沒有大小的電荷。它們就是點電荷。

本文為蝌蚪五線譜原創,版權歸蝌蚪五線譜所有,任何媒體、網站或個人未經授權不得轉載,否則追究相關法律責任。如需轉載請訪問http://rightknights.com/pub/pub_author?greatAuthor=CIHHF&type=0獲得合法授權。

他分別把兩個球帶上不同性質的電,並不斷改變它們的距離。通過精密的計算,反復的測量,庫侖得出結論:兩種帶電物體間的斥力大小,與距離的平方成反比。

同性相斥,異性相吸。解決有效測量帶同種電物體的斥力後,庫侖又投入到帶異種電物體的引力大小的實驗中。不久,他發明了電擺(注一),並利用與電擺類似的工作原理,得出一個結論:兩種帶電物體間的引力大小,也與距離的平方成反比。

庫侖發明的電擺(網路圖)

西元1785年,庫侖在給法國科學院提交的論文《電力定律》中詳細介紹了扭秤實驗的過程,同時公佈實驗的結論:真空中兩個靜止的點電荷(注二)之間的相互作用力,與它們的電荷量的乘積成正比,與它們的距離的二次方成反比。後人稱這個結論稱為庫侖定律。

作為電學發展史上的第一個定量規律,庫侖定律闡明了帶電體相互作用的規律,為整個電磁學奠定了基礎,堪稱電磁學史上一塊重要的里程碑。庫侖定律成為物理學的基本定律之一。

由於庫侖實現了電學從定性到定量的飛躍,所以,科學界便以這位軍人的姓(庫侖)作為國際單位制匯出單位電量的名稱,中文簡稱“庫”,英文簡稱“C”。

話說庫侖定律誕生之後,電學並沒有得到很快的發展,因為當時科學家們主要研究靜電,持續電流理念還未完全形成。而另一位物理學家別出心裁,投身到電與磁的研究中,拉開現代電磁學的序幕。請看下集《他那一跤,“摔”出現代電磁學!》

郵票上的庫侖。(網路圖)

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人物小檔案:查理斯·奥古斯丁·庫侖(Charles-Augustin de Coulomb, 1736~1806),法國工程師、物理學家。其主要貢獻有扭秤實驗、庫侖定律等。

【備註】

1、 電擺,單擺的一種,通過電讓單擺產生往復擺動。將無重細杆的細柔繩一端懸於重力場內一定點,另一端固結一個重小球,就構成單擺。

2、 點電荷,即本身的線度比相互之間距離小得多的帶電體。做定量研究電荷之間相互作用的實驗時,針對有些電荷的大小對所結果帶來的影響微不足道時,便把電荷的體積和大小忽略掉,把電荷看做只有電量,沒有大小的電荷。它們就是點電荷。

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