静电的定量研究:卡文迪许与库仑

时间:2023-12-14 00:49:03

自莱顿瓶出现以来,关于静电现象的定性研究取得了十分突出的成就。人们已经认识到电荷分正电和负电,同性相斥,异性相吸。从18世纪中叶开始,不少人定量地研究了电荷力,他们中最著名的是卡文迪许与库仑。

静电的定量研究:卡文迪许与库仑

卡文迪许是英国的一位贵族,1731年生于法国尼斯,因为那时候他母亲正在法国旅游。他终生未婚、独居,一心献身于科学研究事业。他性格孤僻、过分腼腆。据说他从不接待陌生人,连女佣人都不能见面,需要她干什么就写在纸条上。有一个故事可以生动地说明卡文迪许是多么的不爱讲话。传说他跟天王星的发现者赫舍尔一起吃过一次饭。当时赫舍尔正在建造一座大型望远镜,用这个望远镜,肉眼看不见的天王星可以显出一个圆面来。卡文迪许问他:“赫舍尔博士,你确实看到星星是圆的吗?”赫舍尔回答说:“圆得就像一个纽扣。”就这一句,再没有话了。饭后,卡文迪许又问了一句:“圆得像个纽扣?”赫舍尔答:“圆得像个纽扣。”

卡文迪许一味地研究,从不关心发表自己的研究成果以及由此可能带来的荣誉。他被认为是氢气的发现者。他的论文表明他懂得如何将酸与金属相作用制备氢气。他还证明了氢气燃烧生成水。

在实验物理学史上,卡文迪许最重要的工作也许是用英国地质学家密切尔发明的扭秤在实验室中测定了万有引力常数G。他用一根线将一根很轻的棒悬挂起来,棒可以绕线自由转动,棒的两头各固定一个轻的铅球。卡文迪许测定了棒的扭转与棒所受力的定量关系后,将两个大球分别靠近两个小铅球。从扭转程度可以先算出两对球之间的万有引力,再运用万有引力定律反算出万有引力常数G。知道了万有引力常数,由重力加速度又可以算出地球的质量以及地球的密度。

卡文迪许在电学方面也做出了开创性的贡献,但他在18世纪70年代所做的电学研究直到半个世纪后才被发现。他生前只给皇家学会投寄了两篇论文。在1777年的论文里,他提出了电荷作用的平方反比律:“电的吸引力和排斥力很可能反比于电荷间距离的平方。如果是这样的话,那么物体中多余的电几乎全部堆积在紧靠物体表面的地方。而且这些电紧紧地压在一起,物体的其余部分处于中性状态。”他在实验中发现,一个金属球壳带电后,所有的电荷均分布在表面,而球腔中没有任何电作用,这意味着球腔内任何一点所受到的电力均相互抵消了。电力与作用距离保持一种什么样的关系,才可能做到相互抵消呢?他用数学证明了只有当力与距离的平方成反比时才可能。

重新发表的卡文迪许的手稿表明,他已经提出了静电电容、电容率、电势等概念。这些在当时均为第一流的成就,都没有发表。1810年,卡文迪许在伦敦去世。当今最为著名的剑桥大学卡文迪许实验室就是为了纪念这位伟大的科学家而命名的。

卡文迪许用来测量万有引力常数的扭秤,被法国物理学家库仑用来测定电荷之间的相互作用力。不过库仑的扭秤是自己发明的,因此他曾于1781年被选为法国科学院院士。1785年,他使用自己的扭秤测定带电小球之间的作用力,发现电的引力或斥力与两个小球上的电荷之积成正比,而与两小球球心之间的距离的平方成反比。这个规律现在被称为库仑定律。库仑也做过与卡文迪许同样的球壳实验,以此进一步证明平方反比律的正确性。

库仑定律与牛顿的万有引力定律形式上十分相似。它的发现使人们对物理世界的普遍规律有了进一步的认识,为电磁学的大发展开辟了道路。