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经典静电学史与现代静电技术 (续) 富兰克林发现尖端是最易“吸引”电。他在房顶上竖立一根尖杆来试验空气和云的带电极性和特征。他能利用尖杆和莱顿瓶收集电荷。他的这个实验使他得到了一个偶然的收获, 他发现了尖杆接地后能防止雷击。他还做了有名的风筝实验。有人会认为他在雷雨天气放风筝是很愚蠢的, 而事实上是他在1752年的一天做实验时雷雨正要来临。他在风筝上固定一根金属线, 以便从雷云中获取更多的电, 雨淋湿了连结风筝的细线, 而这细线的一端连在莱顿瓶的一端,当雷雨来临时, 莱顿瓶上不断产生火花。他知道这种实验的危险性, 并采取了合适的安全措施。他用丝绸线连结到放风筝的细线上, 用手拿着丝绸线而不是放风筝的线,并把莱顿瓶接在连接丝绸线的前端, 人必须站在室内使得丝绸线不被淋湿。可是一德国科学家Gerog Wilheh Richman(1711-1753)在做类似的实验时被电死, 他的助手也被电晕。 John Clanton (1718-1772)受富兰克林研究工作的启发, 在1753年发现了带电体会使接近它的金属体的电荷迁移。即未带电的导体接近带电体时,靠近带电体这端带的电荷与带电体的电荷的极性相反,而另一端带的电荷与带电体的电荷的极性相同。 1775年伏特(Alessandro Volta,1745-1827,意大利物理学家)发明了静电感应起电盘,他利用静电感应起电盘能使导体产生很高电压的静电。 法拉第(Michael Faraday ,1791-1867, 英国人)是位伟大的实验科学家之一。他的研究覆盖了许多领域如化学、物理和电学。他引入了带电体周围电力线的概念。他的一个很有趣的实验是法拉第笼实验。 他坐在金属笼内, 当笼外发生强大的静电放电时,他并未感到任何电击并且验电器也无任何显示。他的另一个重要实验是法拉第桶(Faraday ice-pail)实验,当一带电体接触金属桶的内壁时, 电荷会转移到桶的外表面,这种现象的发生与桶外是否存在电荷无关。 最早提出电力平方反比定律的是普利斯特利(Priestley ,1737-1804, 英国人)。普利斯特利的友好富兰克林曾观察到放在金属杯中的软木小球完全不受金属杯上电荷的影响, 他把这现象告诉了普利斯特利, 希望他重做此实验。 1766年,普利斯特利做了富兰克林提出的实验, 他使空腔金属容器带电, 发现其内表面没有电荷, 而且金属容器对放于其内部的电荷明显地没有作用力。他立刻想到这一现象与万有引力的情况非常相似。因此他猜想电力与万有引力有相同的规律, 即两个电荷间的作用力应与他们之间距离的平方成反比。在1767年普利斯特利写了一本《电的历史和现状》。 1769年, 爱丁堡的John Robison 首先用直接测量方法确定电力的定律, 他得到两个同号电荷的排斥力与其距离的2.06次方成反比。他推断正确的电力定律是平方反比律, 他的研究结果是多年之后(1801年)发表才为人所知。 1772年英国物理学家 Cavendish 遵循普利斯特利的思想以实验验证了电力平方反比定律。他将一个金属球形容器固定在一绝缘支柱上。用玻璃棒将两个金属半球固定在铰链于同一轴的两个木制框架, 使这两个半球构成与球形容器同心的绝缘导体球壳。用一根短导线连接球形容器和两个半球, 利用一根系于短导线上的丝线来移动导线。Cavendish先用短导线使球形容器与两半球相连。用莱顿瓶使两半球带电, 莱顿瓶的电位可事先测定, 随后通过丝线将短导线抽去。再将两半球移开, 并使之放电。然后用当时最准确的木髓球静电计检测球形容器上的带电状态。静电计并未检测到球形容器上有任何带电的迹象。他用实验和计算的方法得出电力与距离成反比的方次与2的差值不大于0.02。Cavendish的实验得出的定量结果与十三年后(1785年) 库仑(Charle Augustine de Coulomb,1736-1806)用扭秤直接测量所得的结果的准确度相当,但他的研究成果都没有发表。是一百年后Maxwell整理 Cavendish的大量手稿时才将上述结果公诸于世的。 最为著名的是法国物理学家库仑的研究工作。库仑曾从事毛发和金属丝扭转弹性的研究, 这导致他在1777年发明了后来被称为库仑秤的扭转天平或扭秤。 1784年库仑发表论文, 介绍他发现的扭转力与线材直径、长度、扭转角度以及与线材物理特性有关的常数之间的关系,还介绍了用扭秤测量各种弱力的方法。同年,库仑响应法国科学院有赏征集研究船用罗盘,他的科学生涯开始从工程、建筑转向电、磁的研究。1785年库仑设计制作了一台精确的扭秤, 用扭秤实验证明了同号电荷的斥力遵从平方反比律,用振荡法证明异号电荷的吸引力也遵从平方反比定律。他的实验误差偏离平方为 4×10-2 。库仑的研究工作得到了普遍的承认, 而平方反比定律也就以库仑的名字来命名了。 Luigi Galvani (1737-1798, Bologna 大学教授)发现了一种不用摩擦就能产生的电。他观察到摩擦起电会使青蛙腿抽搐, 在青蛙身上试验时抽搐得更利害。在1786年的一个刮风的一天, 当他用铜钩悬挂青蛙置于窗外时, 他偶然发现只要风吹得青蛙触及铁柱时, 青蛙也抽搐, 他认为这种现象与把青蛙连到静电起电机上的情形相似,但这时没有静电源存在。 Galvani 把青蛙腿放在铁锅中, 然后用铜线触及青蛙腿的神经, 发现青蛙腿抽搐, 当用铁丝触及青蛙的神经时不会发生抽搐。当他试验了多种金属材料之后, 他发现两种不同的金属接触青蛙时会发生抽搐。Galvanic把它称为“生物电”,现在人们都知道当两种不同的金属接触后会产生电位差。这种现象叫Galvanic现象或接触电势。 伏特在1799年仔细研究了Galvanic现象之后, 认为青蛙腿的抽搐不过是对于电流的灵敏反应, 而肌肉提供了一定的溶液,因此电流产生的先决条件是两种不同金属插在某种溶液中并构成回路。他在1800年用锌板和铜板插入一瓶稀酸中做成了第一个电池, 这种电池叫伏打电池。他把电池串联起来做成了一个电流更强的伏打电堆(Voltaic pile)。电压的单位伏特就是以他的名字命名的。 在电池发明之后,人们可以获得连续的电流,这导致许多的新发现。在这以前在科学界仍然普遍认为电与磁相互毫无关系。1820年7月Oersted向科学界宣布了他发现电流的磁效应,打开了电应用的新领域。1820年9月安培发现了圆电流对磁针的作用。1820年10月Biot 和Savart发现了长直电流导线对磁极的作用正比于1/r 。1821年安培提出分子电流假说。1822年Thomas Johann Seebeck 发现只要牢固地连接铜线和一根别的金属(铋)线的两端, 并维持两个接头于不同的温度, 也可获得微弱的电流, 这就是温差电效应。1831年Faraday发现电磁感应现象。1833年Faraday证明摩擦起电和Volta电池产生的电相同。1874剑桥的物理教授年Maxwell(James Clerk Maxwell, 1831-1879, 苏格兰人) 建立了电磁场方程组。Maxwell推论电磁的相互作用以波的形式传播并预言光是电磁波。1888年 Heinrich Hertz 证实了Maxwell 的推论和预言,从而开辟了电磁学应用的领域──无线电技术。 到十九世纪末, 电磁学已发展成为经典物理学中相当完善的一个分支。电磁学渗透到物理学的各个领域, 电工技术、电子技术等得到迅速发展和应用。从此,改变了人类社会的生产和生活方式。 在二十世纪初,静电学也从从实验和科学阶段走向实际应用的阶段。但是应用面较窄,仅在静电除尘方面有些应用。虽然1824年 Hohlfeld 第一次演示了静电收尘实验。但1907年Frederik G. Cottrell才制造了世界上第一台实际应用的静电除尘器用于捕集硫酸酸雾。静电除尘器在控制酸雾排放的成功,迅速导致其在其它工业烟尘污染源中的应用。1922年Van de Graff发明了实用的静电起电机。1923年Detroit Edison 公司安装了第一台静电除尘器。从此,静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等取得了一定的地位。为现代静电技术的建立奠定了基础。在二十世纪中期,随着工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用, 一方面,一些电阻率很高的高分子材料如塑料,橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化, 使得静电能积累到很高的程度, 另一方面,静电敏感材料的生产和使用, 如轻质油品, 火药, 固态电子器件等, 工矿企业部门受静电的危害也越来越突出, 静电危害造成了相当严重的后果和损失。它曾使得它造成电子工业年损失达上百亿美元,这还不包括潜在的损失。在航天工业,静电放电造成火箭和卫星发射失败,干扰航天飞行器的运行。在石化工业,美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起。1969年底在不到一个月的时间内荷兰、挪威、英国三艘20万吨超级油轮洗舱时产生的静电引起相继发生爆炸以后引起了世界科学家对静电防护的关注。我国近年来在石化企业曾发生30多起较大的静电事故, 其中损失达百万元以上的有数起。例如上海某石化公司的2000米3 甲苯罐, 山东某石化公司的胶渣罐, 抚顺某石化公司的航煤罐等都因静电造成了严重火灾爆炸事故。二次世界大战后许多工业发达国家都建立了许多静电科研机构从事静电研究。 我国少数科研单位如从60年代末开始开展了一些静电研究工作,但在文化革命期间中断了,到70年代~80年代国内有北京市劳动保护科学研究所、北京理工大学、石化总公司、复旦大学等开展了较为系统和深入的静电研究工作特别是对石油静电防护进行了大量而深入的研究。从80年代开始以来,
我国的静电研究发展极为迅速。 1981年成立了中国物理学会静电专业委员会并召开了第一次全国静电学术会议,全国性的和各地方的静电学术会议不断召开,静电研究和应用的范围也越来越广,科研队伍不断壮大,
静电技术日益受到各级领导和全国科技工作者的重视,1988年、1990年和1993年在我国北京,1997年在上海分别举办了多次国际性的静电学术会议。 最近的信息可从本网站找到 |
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