物理学史之电磁学篇.docx

问苍天巧借雷电，向暴君争取民权富兰克林及其电荷守恒定律和电的本质的发现从远古开始，无论是中国还是西方都有对电、磁现象观察的记载 16 世纪 后半叶以后，实验风气逐渐兴起，人们发明了产生电荷和储存电荷的起电机、莱 顿瓶，发现了电流，制成了最早的电源——电堆这不仅加深了人们对电现象和 磁现象的认识，并且为进一步探索电磁现象的规律作好了物质准备在静电学发 展过程中不得不提到一位美国物理学家的重要贡献，那就是本节的主人公——富 兰克林富兰克林本杰明.富兰克林(Benjamin Franklin, 1706T790) 出生于美国马萨诸塞州波士顿一个贫穷的制烛工人家 庭，在家里十七个孩子中排行十五，是美国政治家、物 理学家，同时也是出版商、印刷商、记者、作家、慈善 家；更是杰出的外交家及发明家他是美国独立战争时 重要的领导人之一，参与了多项重要文件的草拟，并曾 出任美国驻法国大使，成功取得法国支持美国独立富兰克林的初期创造才能表现在许多发明上，尤其著名的是改进火炉和双焦 眼镜但他的最大成就是在电学方面，其中他对静电学的最重要贡献是发现了电 荷守恒定律 1746 年，居于美国费城的富兰克林收到了英国皇家学会朋友赠送 的一只莱顿瓶及使用方法，这样莱顿瓶带来的电学知识很快就传播到了北美。

富 兰克林利用莱顿瓶做了大量的静电方面的实验，他发现，两个带有不同性质电荷 的带电体相互接触后可以呈现中性根裾这种相消性和数学上的正、负数的概念， 他把“阳电”称为正电，把“阴电”称为负电，并进一步从电荷的相消性，推出 如下结论:①正电和负电，在本质上不应有什么差别；②摩擦起电过程中，总是 形成等量的异种电荷；③摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷 在数量上相等于是，在上述推论的基础上，他总结出一个普遍的原理：电荷既 不能创生也不能消灭，只不过是从某一个带电体转移到另外一个带电体；在电荷 转移过程中，电荷的总量是不变的这就是电荷守恒定律的最原始的表述方式 电荷守恒定律是物理学中一条比较普遍的守恒定律，富兰克林为电磁学大厦建立 了第一块颇为重要的奠基石富兰克林的科学成就使得他于 1756 年当选为英国 皇家学会的会员富兰克林在公众中的名声除发现电荷守恒定律外还有他的大气电实验，并以 发现避雷针而达到了顶峰当时人们关于火、燃 烧、闪电、火花和放电等现象 的认识还很不清楚特别对雷电的危害性之大有一种惧怕的心理，大多数人认为 雷电是“上帝之火”,是天神发怒的结果富兰克林为破除这股迷信,一直思考着 雷电的电与摩擦电本质上是否一样，区别在什么地方，从而导致了他所做的著名 的天电实验。

1752 年 7 月的一天，天气闷热，乌云密布，电闪雷鸣，就在这大雷雨就要 来临的时候，美国费城郊区上空升起了一只神竒的风筝，它是用丝绸做成的，顶 部安装一根尖细的铁丝，风筝用麻绳系住，麻绳末端挂着一把钥匙，兴致勃勃地 放风筝的那两个人就是富兰克林和他的儿子他们放风筝不是为了玩，而是冒着 遭受雷击丧生的危险，在进行吸取“天电”的实验，他把从云端“吸取”的电荷 收集在莱顿瓶中，并进行实验他发现由此得来的电火可以使酒精燃烧，并可用 来进行别的有关电的实验；而这些实验平常是靠摩擦小球或小管来做的从而 使雷电和摩擦起电统一了起来富兰克林写了一篇《论闪电和电气的相同》的论文，阐述了雷电的本质他 明确指出：雷电现象不是“雷公雷母的发怒”,它是自然界一种大规模的放电现 象，耀眼的火花就是电闪，震耳欲聋的声音就是打雷电闪不但可以在天空中离 得很近的带异种电荷的云块之间发生，也可以在云地之间发生当云地之间发生 闪电的时候，在极强的闪电经过的路上，树木、房屋、人畜等就被击毁或者烧焦 富兰克林还根据风筝上尖细铁丝能够吸引天电的发现，提出了制造避雷针的设想, 使建筑物免遭雷击富兰克林的避雷针能使云层安全放电，因而能保护建筑物本 身。

避雷针确实是灵验的，富兰克林以他电学上划时代的研究成果，成为蜚声世 界的第一流科学家关于避雷针在欧洲的普及和形状的设计还有一个插曲：1769 年，意大利威 尼斯的一座教堂被雷击毁，引起地下室火药爆炸，导致 3000 多人丧生1772 年， 英国成立了讨论仓库免遭雷击对策委员会，首先提出制造避雷针方案的富兰克林 作为英国皇家学会会员也被任命为委员，在讨论中对避雷针的顶端形状发生了尖 头、圆头之争有人想当然地认为圆头避雷针好；但富兰克林坚持尖头的，他力 排众议，言之有理，最后被采纳了1776 年，美国独立战争爆发以后，富兰克林因为积极参加独立运动，又是 独立宣言的起草人之一，被作为叛逆者的领导人，而到英国人的憎恶，连他发明 的避雷针也受到冷遇，横遭摒弃英王乔治三世带头把宫殿和弹药仓库上的尖头 避雷针砸掉,命令一律换为圆头避雷针，为了寻找扼杀富兰克林发明的“科学依 据”，使尖头避雷针在英国绝迹，偏执而愚蠢的国王还亲自向皇家学会会长普林 格尔施加压力，要他公开宣布圆头避雷针比尖头更安全好在普林格尔正直且坚 持真理，拒绝执行国王的圣旨，义正辞严地说:“陛下，许多事情都可以按您的 愿望去办，但是,不能做违背自然规律的事啊！”美国独立战争期间，年老的富兰克林代表初创的美国出使法国，利用英法之 间的矛盾争取法国的援助，事实证明，他是担任这项使命的理想人选。

或许这与 人类进人了理性时代，有知识的法国人完全拜倒在这位曾经驯服了空中闪电，并 将它引到地面的伟人脚下有很大关系富兰克林集科学与政治成就于一身，他发明了摇椅，避雷针，改进了路灯， 对气象、地质、声学及海洋航行等方面都有研究，并取得了不少成就；制定了新 闻传播法，最先组织了消防厅，创立了近代的邮信制度，创立了议员的近代选举 法他把政治活动作为一种公民义务占据了他一生中的主导地位这位“问苍天 借雷电，向暴君取民权”的英雄1790 年卒于费城，终年84 岁，费城人民为他举 行了空前的葬礼岁月难掩遗珠光泽——能称量地球质量的“科学怪人”卡文迪什和库仑定律18 世纪中叶以后 ,人们在已知同种电荷相互排斥和异神电荷相互吸引的基 础上，提出了相互作用力的测量问题人们借助已经确立的万有引力定律，对电 力和磁力的规律做出种种猜测有人从实验上加以证明其中最早的是一位英国 著名的科学家卡文迪什(Henry Cavendish, 1731—1810)卡文迪什出身贵族豪门，照例卡文迪什这等身份的人或者出入官场，扬威域 内，或者放浪形骸，寄情声色犬马之中，可是他生性古僻，平时连生人都不愿见到一个，在剑桥大学攻读四年，由于害怕教授而不参加考试。

临终时甚至固执地 要求单独死去这个怪癖的人有一个而且仅有一个爱好，那就是科学研究，他倾 尽毕生精力，独自进行研究度过了几乎 60 年这是一个纯粹的爱好，因为卡文 迪许并不关心他研究的成果是否发表和他是否能得到荣誉，也不关心与他的好奇 心无关的任何事情，他将详细记录一系列实验数据和结论的手稿及论文锁在柜子 里直至他离开这个世界卡文迪什终身未婚，他的侄子继承了一大笔财产和一大 柜手稿后，捐钱给剑桥大学彼得豪斯学院实验室，这个实验室就是后来名闻天下 的卡文迪什实验室，人类在那里第一次揭开原子的秘密，从 1904年至 1989 年的 85 年间一共产生了 29 位诺贝尔奖得主 ，占剑桥大学诺奖总数的三分之一其实早在1773 年，在库仑之前 12 年卡文迪什就发现了“库仑定律”，甚至 其实验的精度超过后者直到 1879 年，作为卡文迪什实验室的第一任主任的麦 克斯韦出版了一本题为《尊敬的亨利•卡文迪什的电学研究》一书，才杷卡文迪 什的工作公布于世：是他最早精确测定了万有引力的常数，是他最早提出了电荷 间的作用力和距离平方成反比，是他在法拉第之先用实验演示了电容器的电容和 填充的物质相关，早在欧姆定律公开发表的三十年前他就发现了导体两端的电势 和流过的电流成正比。

在化学上他甚至享有“化学家中的牛顿”的美誉，是他最 早提出水是由氢氧两种元素组成的麦克斯韦在书中说:“这些论文证明卡文迪 什几乎预料到电学上所有的伟大事实，这些伟大的事实后来通过库仑和法国哲学 家们的著作而闻名于科学界人们公认库仑定律是在 1785 年被发现的，库仑定律是电磁学中的一个基本 定律，它的建立使电磁学进人了定量的研究，从而使电磁学真正成为一门科学， 并为后人研究电磁学打开了道路，为继续发展电动力学奠定了基础，因此它在静 电学中的地位相当于力学中的万有引力定律库 仑 ( Charles Augustin de Coulomb 1736 --1806)，法国工程师、物理学家1736 年6 月14 日 生于法国昂古莱姆富裕家庭在青少年时期，他就受到 了良好的教育， 1761 年毕业于巴黎军事工程学院，并 作为军事工程师服役多年后因健康日坏，被迫回家， 因此有闲暇从事科学研究由于他写的一篇题为《简单机械论》的报告而获得法国科学院的奖励，并由此于1781 年当选为法国科学院 院士法国大革命时期，他辞去公职，在布卢瓦附近乡村过隐居生活，拿破仑执 政后，他返回巴黎，继续进行研究工作1806 年8 月23 日在巴黎逝世。

库仑制造的扭秤的构造是：在一个直径和高度均为12 英寸（30 厘米）的玻 璃圆筒上，盖一块直径为13 英寸的玻璃板，板的正中钻有一孔，并装上高为24 （60 厘米）英寸的玻璃管，管子上端装有扭转测微计端部中间有一只夹子， 夹持一根极细的银丝，银丝连着一根浸过西班牙蜡的 横秆，杆的一端有一小木髓球，另一端贴一小纸片与 之平衡，使横秆呈水平位置，这一部分都装在玻璃筒 内在玻璃盖板上另开有侧孔，孔内放入另一只小木 髓球，它可以与横杆上的小木髓球接触这样，只要 使侧孔处的小木髓球带电，然后与横杆上的另一只小 木髓球接触，两只小球就带同种电荷，相互排斥而分 开，银丝就呈现扭转多次实验结果表明，扭转角的 大小与扭力成正比，库仑在论文中举了一组数据：两 小球相距36个刻度、18 个刻度和8.5 个刻度，即间距大体上是4：2：1，得到 银丝分别扭转了36个刻度、144个刻度和576个刻度即电力约为 1：22：42 于是库仑得出了“带同号电的两球之间的斥力，与两球中心之间的距离的平方成 反比”的结论库仑虽然直接测量了电荷之间作用力与距离的关系，但精确度毕竟有限，如 果用平方反比关系表示，其指数偏差可达 0.04。

显然他是在模仿万有引力定律 库仑在另一篇论文中还提到磁力的平方反比关系，写道：“看来，磁流体即使不 在本质上，至少也在性质上与电流体相似基于这种相似性，可以假定这两种流 体遵从若干相同的定律也就是说，库仑在研究电力和磁力时也是把它们跟万有引力类比，事先建立 了平方反比的概念从库仑定律的发现经过我们可以看到类比在科学研究中所起的作用如果不 是先有万有引力定律的发现，单靠实验具体数据的积累,不知要到何年才能得到 严格的库仑定律的表达式实际上，整个静电学的发展，都是在借鉴和利用引力 理论的已有成果的基础上取得的在库仑之后，科学家们沿着牛顿引力理论开辟 的道路继续走下去欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、泊松、格林、高斯等人相继在 电学理论上取得了成就科学之路多波折，三尺讲台逐真理——欧姆、奥斯特和安培18 世纪末，电学从静电领域发展到电流领域这个大飞跃发端于动物电的 研究，意大利学者伽伐尼和伏打在这方面起了先锋作用1800 年，伏打进一步 把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源， 这就是著名的伏打电堆 把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中，也可以形成电源， 叫做伏打电池伏打为了尊重伽伐尼的先驱性工作，在自己的著作中总是称之为 伽伐尼电池。

所以，以他们两人名字命名的电池，实际上是一回事伏打电堆（电 池）的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能从各方面研究电流的各 种效应从此，电学进入了一个。