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第5章 库仑与点电荷

马堤尼克岛是一个重要的岛屿,是法国海军的战略要塞。为了加强这座岛的战略防备,使这座海上要塞固若金汤,岛上正在进行紧张的施工。

海岛的施工场地上,水泥、砖石等建筑材料堆放得整整齐齐,施工有条不紊,工程进展相当迅速。查理·德·库仑是负责要塞建筑的技术总监,他是巴黎军事工程学院毕业的一位高材生,年龄不足40岁。库仑先生精力充沛、技术精湛,工艺要求一丝不苟,但又十分平易近人,岛上建筑者都十分佩服库仑先生,人们亲切地称他为“长明灯查理”。原来,库仑白天投入紧张的施工,东边跑跑,西边看看,一会儿协助技术员测量尺寸,一会儿帮工人解决技术难题,整天忙得不可开交。夜幕垂落,当人们从繁重的工作中解脱出来,沉入梦乡时,库仑房间的灯光却仍然没有熄灭,常常一直亮到启明星升起,因此,人们送给他一个“长明灯查理”的雅号。

日复一日,年复一年,几个春秋过去了。人们开始对这位辛勤的“长明灯查理”的行为感到迷惑不解,时间一长就习以为常、司空见惯了。1776年,库仑和建筑工程队离开海岛返回法国,不久,当工程队的朋友们得知他成为法国科学院院士时,才明白“长明灯查理”房间灯光的奥秘,原来那灯光里凝聚着汗水啊。

还在学校上学的时候,库仑就为科学技术所陶醉和沉迷。

在巴黎军事工程学院学习期间,同学们就为他起了个“莱顿瓶”的绰号。给他取“莱顿瓶”这个绰号是有着特殊的意义的,那么莱顿瓶到底是一个怎样的瓶子呢?莱顿瓶是18世纪40年代末发明的贮电瓶,这个神奇的贮电瓶是由荷兰莱顿市物理学家马森布罗克发明的。莱顿瓶实际上是一个普通的原始电容器,由于利用莱顿瓶能获得大量的电荷,所以它在电学发展史上曾起过很大的作用。大学期间的库仑最得意的两件事:一是研读牛顿的力学理论;二是试验莱顿瓶的作用。莱顿瓶能够放电,当很多同学被库仑的莱顿瓶电击过以后,库仑便获得了那个不雅的绰号。

当时,人们经常利用莱顿瓶来观察物体的放电现象,科学家们也设计出各式各样的验电器。例如,意大利牧师贝内特制造了一种金箔验电器,这种验电器是在玻璃容器内放两张金属箔片,在起电时两张金属箔片会张开,人们用它来测量电力的存在,但电力是什么?究竟有多大?当时谁也说不清楚。库仑研究莱顿瓶的时候,科学界已经知道使两片金箔张开的力是由同种电荷相互作用产生的,可以看成是两个点电荷之间的斥力作用。

大学毕业时,有一个问题还始终困扰着库仑,这个问题就是怎样用牛顿力学的形式来描述电荷之间的相互作用?可以说,库仑是带着电学和力学相互渗透的问题离开学校的。

库仑在不断地思索着,电力究竟是什么?怎样才能测量电力的大小呢?由于牛顿力学在当时的成功以及所产生的影响,库仑认为答案就在牛顿力学理论中。为了解决这一问题,库仑决定暂时放下他心爱的莱顿瓶,专门攻读牛顿力学理论。从此,库仑沉入了牛顿力学的海洋。开始时还不适应,呛了几口水,慢慢地,他能够游泳了,只是时间不是太长,最后竟能够自如地遨游了。

学工程建筑出身的库仑认为只有使自己的专业结合牛顿理论,才能更好地掌握牛顿理论的精华,同时促进工程建筑的发展。不论是马堤尼克岛、埃克斯岛的海外工程,还是瑟堡、巴黎等地的建筑,他都把主要精力放在研究工程力学和静力学问题上,度过了无数个不眠之夜。

库仑将牛顿力学运用在工程建筑上取得了很大的成绩。一次他从海外施工地回巴黎,顺便参加了法国科学院召开的专门研究航海设备问题的会议。作为会议的非正式代表,他顺利解决了会议规定的题目,引起了与会者的震惊。与此同时,他还成功地设计了新的指南针结构以及许多实用的普通机械。

1784年,库仑发表了一篇论文,介绍了他所发现的线性扭转力与线材的直径、扭转角度等数值之间的关系,引起了科学界的广泛好评。

在当选为科学院院士之后,库仑又拿起了心爱的莱顿瓶向电学问题冲击了。经过20多年的磨炼,他已经不是那个拿着莱顿瓶劝诱别人尝尝电击滋味的毛头小伙子,而是一个具有很深力学理论造诣和施工设计能力的专家了。

经过反复的实验,库仑发明了测力的精密仪器——扭秤。它是一条轻的水平铁片,在中点上系上一根长的细铁丝,挂在玻璃匣内,由此构成扭秤。库仑把一个带电的球放在铁片的一端,拿另一个带电的球与它接近,铁片就会扭转,他用这个仪器发现了静电之间的相互作用力随着距离平方的增加而减少。扭秤真是一个了不起的发明。

库仑发明扭秤时,心里一直惦记着两个问题,这两个问题也是当时物理学家苦思不得其解的。一是如何测量电流的强弱。现在我们用万用表一量,马上就知道电流强弱,方便得很。但是,在库仑那个时代,要测量电流的强弱是一件很困难的事情,物理学家们都是用自己的身体及感受作为一只测量仪表,和库仑同时研究电现象的英国科学家卡文迪许就是这样记录大量数据的。他用手指抓住电极的一端,注意是手指局部,还是从手指一直到腕关节,甚至从手指一直到肘全都感到电震,从而来估计电流的强弱,库仑也咬紧牙关多次这样测量电荷的强弱。他心想:这种方法测量结果必然要受到个人主观感受的影响,准确度很难把握。库仑此时把心中的另一个问题也提出来,怎样测定电荷之间的作用力的大小呢?为了找到这两个问题的答案,他付出了艰辛的劳动。

1785年,经过长期思考和多次扭秤实验,库仑终于豁然开朗了。困扰他的两个问题最后结合起来成为一个问题,即用电流大小来测量相互作用力的大小或者用电荷相互作用力的强弱来标定电流的强弱。这样,电荷量与电力就结合在一起了。

研究思路一旦产生突破以后,接下来的实验就很顺利了。库仑要测得电荷相互作用力,依靠他发明的扭秤就可以完成。在这一思路的指导下,经过一系列的实验,他推导出表示两静止点电荷间相互作用力的定律,即著名的库仑定律。库仑定律是电学史上的第一个定量的定律,库仑定律的产生揭开了发现各种电学定律的序幕。

电学发展的脚步在加快。德国物理学家、数学家高斯根据库仑定律做出了电量单位定义:即当两个具有同样电量的点电荷在真空中距离为1厘米,作用力等于1达因时,这两点电荷具有1个绝对静止单位的电荷。高斯还发展了库仑定律,提出了高斯定律,推广了库仑定律的应用范围。为了纪念法国物理学家和工程学家查理·德·库仑,直到现在人们还把电量单位叫做库仑。

库仑的研究工作使电学从定性研究进入定量研究的阶段。从此,一系列电学现象都将被定量地揭示出来。电学的春天来到了,在春光沐浴中,又一批伟大的电学家长大了,他们是安培、欧姆、高斯……一代一代人的努力促进了电的应用。

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