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经典静电学史与现代静电技术

黄博士刘 院士

(本文是作者发表在中国百种核心期刊<<物理>>1997年第1期上的论文主要内容)
主要内容:
1、古代人类对静电的认识 2、经典静电学基础理论的建立 3.电磁学的建立 4 现代静电技术的建立

静电学是电学中最古老的学科,现在静电应用技术和静电防护技术已越来越受到人们的重视。而对经典静电学作一较为详细的回顾也是很有意义的。本文综述了对经典静电学的发展和其在物理学中所起的作用。概括了16世纪到19世纪科学家对静电现象和静电规律的研究及本世纪静电技术的发展概况。

1、古代人类对静电的认识

2500年前左右,(静电学是物理学中人类认识的最古老的自然现象-物理学史) 古希腊哲学家塔勒斯(Thales,640-546 B.C.)在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀(Amber)之后也有类似于磁石能吸引轻小物体的性质。所以,塔勒斯成为有历史记载的第一个静电实验者。电这个词起源于希腊语ελεκτρον(琥珀)。

公元三世纪,晋朝张华的《博物志》中也有记载:“今人梳头,解著衣,有随梳解结,有光者,亦有咤声”这里记载头发因摩擦起电发出的闪光和噼啪之声。

但直到16世纪,除了偶尔发现埃尔摩(Elmo)火外, 对静电别无其它记载。埃尔摩火是发生在船桅杆上或其附近的发光现象。在航行于地中海上的水手中间长久流传着一个“神火”的故事,他们在暴雨将来临的危急时刻,多次地发现在桅杆尖上有一种不祥的火光,开始时水手们把它看做末日的来临。但当他们多次平安脱险后,这火光反而变成了安慰的源泉。水手们把它命名为圣.埃尔摩火,用来象征他们所信仰的圣徒埃尔摩的保护。

2、经典静电学基础理论的建立

电学之父Willian Glbert(英国人,1540-1603)重复了塔勒斯的实验。他想为什么琥珀这个用于装饰用的东西摩擦之后会有吸引轻小物体的性质,是否其它的珠宝也有类似的性质呢?他用其它的珠宝作实验,结果发现钻石、蛋白石和蓝宝石摩擦之后也有象琥珀样吸引其它轻小物体的性质。他后来还发现其它物体也有类似的性质,如紫晶、玻璃、黑色大理石、硫磺、腊等。他注意到这些物质经摩擦之后虽然能吸引东面,但不像磁石样具有指南北方向的性质,他把这些用摩擦能带电的物质叫为“摩擦起电物体(Electrics)”。而把摩擦不能带电的物体叫“非摩擦起电物体(no-electrics)”。

为了进一步研究这些物体的吸引能力, Gilbert还发明了第一个验电器(versorium)用来检验带电物体。这是一个中心可以转动的很轻的木材或金属做成的细针,当摩擦过的琥珀靠近时,细针可以转动。他还发现在天气干燥的时候这些物体容易产生吸引力。Gilbert被称为是电学之父。不久,Otto Von Guericke (1602-1686, 德国人)发现电的排斥现象。如果把带电棒接近金属屑时,它们开始吸引,然后排斥。

1678年Guericke制造了第一个摩擦静电起电机。他把硫磺粉碎熔化后灌入一个直径为六英寸的空玻璃球内, 在其中间插入一条木棒作为轴, 硫磺冷却后,把玻璃球破碎,做成一个硫磺球。 当球迅速转动并用布或直接用手摩擦硫磺球时能产生很大的火花。1709年英国科学家(Francis Hauksbee,1666-1712)做了一个类似于Guericke的静电发生器, 用一个大轮带动一个小轮使得球转得更快, 他计算球的线速度达到29英尺/秒, 当用毛皮摩擦球时, 强烈的放电会使球发出绿光。当他把脸贴近带电球时他觉得有一股微风吹来。这种摩擦静电起电机经过不断改进,后来在静电实验中起过重要的作用,直到十九世纪 W. Holtztr和A.Topler分别发明感应起电机后才被取代。 他还发明了第一个静电计(Electroscope)。把弯曲的稻草挂在绝缘的金属棒的一端, 他发现当带电体接近时稻草会时排斥而张开。他的另一个重大发现是:当把两个相距1英寸的球放在一起, 而摩擦其中之一时, 两球都发光,这一现象在当时他不了解, 实际上这就是静电感应现象。

Stephen Gray (1666-1736,英国人), 在1720年发现丝绸, 干木材, 毛发经摩擦也能起电。他在研究琥珀吸引特性的传递时发现了导体和非导体的区别。他摩擦一根约一米长的空玻璃管, 为了保持玻璃管内干净, 他把一塞子塞入玻璃管的一端, 当他摩擦玻璃管时, 他发现塞子也能吸引轻小物体。他认为这种吸引力可以传递。从此, 他继续以实验来试验电的这种传递能力。他把一个直经约一英寸的象牙球钻一小孔, 然后插入一小木棒, 小木棒的另一端插到玻璃管的塞子上, 他发现摩擦玻璃管时,这球也具有同样的吸引力。他用了一根十八英尺长的钓鱼杆代替小木棒, 而且实验成功了。后来他试验了线, 他发现连到玻璃管塞子上的线也能传递这种性质, 然后他把一条三英尺长的大麻绳连到塞子上, 这象牙球仍然吸引。为了更进一步试验这种性质,他站到房项上去, 发现即使站到34英尺高,象牙仍能吸引羽毛。他又发现湿线比干线传递得更远。由于在他的附近没有更高的悬崖或建筑物, 他想从水平方向延长这线。他把线挂在一房屋的横梁, 这时吸引力不再传递了,他认为电跑到横梁中去了。Gray的好友Granvile Whelter建议用丝绸线作悬挂线, 因为丝线会阻止电的损失, 在采用了Whelter的建议之后, Gray把线增长到100米,但丝线再也承受不了如此的负荷。这时他又把丝线换为金属线以增加其强度, 可是他又发现实验不灵了,最后他又换用更粗的丝线,实验又行了,见图6。从这些实验中, Gray认为某些材料如铁、铜是导体,而另一些材料如丝绸是绝缘体。

  Charles Du Fay (1698-1739, 法国人)1733年重复了Gray的许多实验之后发现绝缘起来的金属也可以摩擦起电。他认为任何物质只要绝缘起来之后都可带电, 从而认为Gilbert把物体分为“摩擦起电物体”和“非摩擦起电物体”是不对的。他用金箔做实验, 发现用摩擦带电的玻璃棒使金箔带电之后会排斥另一个带同种电的金箔,又会吸引用摩擦带电的硬树脂使之带电的金箔, 他认为有两种电, 一种是Vireous Electricity“玻璃电”(现在我们叫正电), 另一种是Resinous Electricity“树脂电”(现在称之为负电)。他想到:带相同电的物体互相排斥, 带不同电的物体彼此吸引。但他没有给这两种电定义正负极性。

富兰克林(Benjamin Franklin ,1706-1790)做了许多实验后认为有两种电荷存在, 即正电荷和负电荷。他的一个有名的实验是两个人站在用腊做成的平台上, 第三个人站在地面上, 用布摩擦玻璃棒后使站在绝缘台上的一个人带上玻璃棒的电,另一个站在绝缘台上的人带上布的电, 若这两个人的手指接触时会感到电击。若他们两个人的任何一个与站在地面上的人接触后再用手指互相接触, 电击就弱些。1747年,他认为摩擦后的玻璃棒带正电, 而树脂带的电为负电。虽然这是很了不起的一步, 以后科学有可能将富兰克林的这种选择颠倒过来。如果真是这样的话, 电子就可能定义为带正电而不是负电的了,当然正电流的方向就是电子运动的方向而不是其运动的反方向了。富兰克林认为静电的产生不是由于摩擦了“摩擦起电物质”引起的, 而是由于“电流体”(Electric fluid)的转移,虽然这概念不完全正确,但是实际过程却与后来的发现基本相符合。

Ewald (1700-1746, 德国人) 于1745年把玻璃瓶灌入半瓶水,上面塞上塞子, 然后从塞子中穿入一钉子直到钉子恰好触及水面, 然后他把钉子的一头连到静电起电机上, 使电能通过钉子传到水里。他发现这瓶能贮电, 贮存到一定程度之后它能吸引小物体或产生火花, 他后来把水换成其它的液体如水银、酒精后,能产生更大的火花。这种能贮电的瓶就是第一个电容器。莱顿大学教授Pieter von Musschenbroek (1672-1761,荷兰人)重复了Ewald的实验后, 他把瓶的内外用金属箔衬托, 从瓶口的塞子中插入金属线直到它触及瓶内的金属箔而发明了莱顿瓶(Leyden Jar)

莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件, 它对于电学知识的传播起了重要作用。Jeau Antoine Nollet(法国人)曾做了一个当时最为壮观的演示实验,他在巴黎大教堂, 在路易十五皇室成员面前, 令七百个修道士手拉手地排成一条九百英尺长的队伍, 一端的人接触带电莱顿瓶的外部, 当另一端的人接触莱顿瓶的另一端时, 七百个修道士全部因电击而跳起来。莱顿瓶的发明为富兰克林的重要发现提供了新的工具。富兰克林在莱顿瓶的内外壁分别连一导线, 把导线分开一定的距离后放在桌子上, 用丝绸线悬挂一塞子, 使它在这两导线之间来回摆动分别触及这两导线, 直到莱顿瓶不带电为止, 这证明了莱顿瓶内外壁有正负电荷存在。

经典静电学史与现代静电技术 (续):电磁学的建立  现代静电技术的建立  我国静电科研概况

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