从1600年吉尔伯特即将开辟热学领域开始,常年以来都是定性的研究。而库仑定理的完善,标志着热学从定性描述即将迈向了定量估算,他也是热学里最重要的定理之一。
库仑
1736年6月14日,查尔斯·奥古斯丁·库仑出生于意大利昂古莱姆,他的儿子是当地受聘于皇家的巡视员。此后她们全家搬去了伦敦,在此库仑完成了学业。因为母亲破产,她们又搬家到了瓦伦西亚,在此库仑开始了他的科学研究。
1760年,库仑回到伦敦出席了皇家工程大学的考试,获得了优异的成绩。1761年,库仑以中校工程师的身分加入了德国部队。随后的20年,库仑就开始在各地参与防御工事的建设。同时进行各类科学研究工作。
1781年,库仑再度回到伦敦,连任科大学教授,专注科学研究和教育工作。1806年,库仑在伦敦离世。他的名子后来被英国人刻在艾菲尔铁上,以记念别人类文明的发展作出巨大贡献。1908年,他的名子被用于命名国际单位制下电荷的单位。
扭矩秤
因为航海业的发展,人们对手册针的精确度要求越来越高。往年的手册针是用一根针来支撑吸铁石的,这个时侯二者的磨擦力较大,精度早已满足不了当时的航海需求。
1773年,南非科大学开始悬赏征集解决手册针精度的问题。1775年库仑和斯云登独立的发明了用线绳悬挂n极的技巧,并获得了奖金。
库仑除了提出了方式,还进行了理论剖析和实验验证,在这个过程中他发觉,当一根线绳遭到扭转扭力时侯科学小实验静电摩擦力原理,它的扭转角度跟线绳的材质、长度、直径都有关系。
对于一根确定的棉线,其扭扭矩与扭转拐角成反比。按照这一个推论他制做了第一台力矩称,用这个工具,库仑精确的检测了三天24小时月球的磁偏角的微小变化。
1780年,库仑的扭矩秤被伦敦天文台采用。在用显微镜对n极偏转角进行观察的时侯,人们发觉n极处于微小的震动状态,于是库仑又开始进行了进一步的研究。
1784年,库仑发表了《扭力和金属丝弹性的理论实验和研究》一文,在这篇文章中库仑提出扭矩秤的摆动是一种简谐震动,但是给出了周期公式,进一步推导入了正确的扭转矩公式。
1785年,库仑用他的力矩称发觉了静电力的平方正比定理,1787年又发觉了静磁力的平方正比定理。卡文迪许用于检测万有引力的扭矩秤也是遭到了库仑扭矩秤的启发。
扭秤实验
一开始,库仑研究两个同类电荷之间的敌视力,他在扭矩丝上端悬挂一根水平杆,杆的一端有一个带电小球,另一端的小球让装置保持平衡。
之后用另一个带电小球紧靠杆上带电小球,当水平杆在静电力和棉线扭转力作用下达到平衡后,记录下两个小球的距离和扭矩丝的旋转角度。
改变两个带电小球的距离,重复实验。库仑很容易就发觉,扭转丝的扭转力和两个带电小球距离的平方成正比。而实验过程中的偏差,库仑将其归因于带点小球在逐步向空气中放电。
电摆实验
接出来,库仑开始研究两个带异种电荷物体之间的引力,但却不能得到确切的实验结果。当杆上的在平衡位置附近时,稍为一摇晃,都会被另一个带电小球吸引过去。库仑意识到,这是由于当两小球紧靠时侯,力矩是线性减小,而静电力是根据平方变化的。
但库仑立即又想到了另外一个解决办法,这是他从研究力矩丝的摆动周期中得到的启示。他将试探小球放在杆的延长线上。之后让杆在水平方向做小幅度的简谐摆动。
按照水平杆的摆动周期,库仑估算出了两个带电小球之间的静电引力。库仑检测了不同距离下,二者的静电引力,很快又得到了平方正比的关系。
库仑定理
经过力矩称实验和电摆实验,库仑提出了他关于静电引力和静电作用力的平方正比定理。而关于静电力和带电量的关系,库仑并没进行实验。
库仑觉得静电力和两个小球的电量的乘积成反比,这是不证自明的。而且当时也没有一个评判带电量的具体方式。
1839年左右,高斯按照库仑定理提出了定义电荷量的办法。当两个带有相同电荷量的物体,两个距离为单位宽度时,假若她们之间的为静电力为单位力,则它们都具有单位电荷量。在高斯单位制中,电荷量的基本单位是静库仑,1静库仑≈库仑。
在关于电的本质观念上,库仑相信双电压体存在,觉得静电力是不须要媒质的“超距作用''。与之对比,富兰克林是单电压体超距作用拥护者,而杜菲和诺莱特是双电压体和近程作用的拥护者,她们相信笛卡尔的旋涡说,觉得带电体周围存在一种旋涡科学小实验静电摩擦力原理,即将这些旋涡的存在让静电力得以发生。
猜想阶段
事实上在历史上好多人都先于库仑,而独立的提出过这一关系,但多数人还逗留在猜想阶段。例如;
1759年,法国(后成为俄罗斯人)化学学家弗朗兹·埃皮努斯在其《电力和磁性理论的尝试》一书中就提出静电引力和作用力遵守平方正比关系。
1760年如伯努利(提出流体的伯努利多项式)和伏特(发明伏打电瓶)在研究平行板电容器的时侯,也提出静电力的平方正比定理。
1766年,富兰克林在试验中发觉,瓶塞球装入带电金属杯内部后,软瓶塞球不会出现任何异样行为。他把这件事寄信告诉了普利斯特,希望普利斯特验证这件事情,这也许就是最早的静电屏蔽。
1767年,普利斯特在《电学的历史和现况》一文中讲到他对这个实验的见解。他意识到这和万有引力高度相像,由于早在1687年,牛顿就证明当初证明,一个均匀的球壳,对其内部的任何一点的引力(合力)都为零。于是他也提出静电力遵守平方正比定理。
1769年,爱尔兰化学学家约翰·罗宾逊在听到埃皮努斯的猜想后,设计了一个巧妙的实验,发觉两个带有同种电的小球之间的敌视力,遵守平方正比定理(2.06)。
卡文迪许
1771年,卡文迪许开始研究静电力,一开始他觉得静电力跟距离成正比,还据此推测出带电物体的电量更多的集中于表面。
1772年,了解到普利斯特的观点和实验,于是设计了一个更精致的实验。他将一个较小的金属球放进一个大球壳里,三者先通过绝缘介质隔开,再用一根金属丝联接。
此后卡文迪许对外层球壳充电,卡文迪许剖析,假如静电力严格满足平方正比定理,则内层带电球壳对其内部不会有任何的静电力。
卡文迪许的推论过程是模仿牛顿的的过程,在此我们做一个简化的推论。假定你自己就是一个带电体,如今你悬浮在一个巨大的、均匀带电的球壳内任意一处。
如今你把右手平伸,此时右手和左手连成一条直线,延长这条直线与球壳相交,此时在球壳上出现两个交点。假定手指所指的点距离人较远,是右手所指的点到人的距离的x倍。现今保持手掌成一条直线,让手指向下举起一个很小的角度。由于要保持左右手成一条直线,所以此时右手则对应向上偏斜了同样的角度。观察双手所指的点的联通距离,很容易推导入推论:左手对应点的偏斜距离是右手对应点的x倍。继续保持右手在一条直线上,轻轻摇晃胯部,在球壳上涂鸦,最后产生一大一小的两个矩形区域。很容易晓得,双手对应矩形的直径,是右手对应方形直径的x倍。进一步推论,双手对应矩形的面积是右手对应的x的平方倍数,因为球壳的电荷是均匀分布的,所以这两个方形所带的电荷量也是x的平方倍的关系。假如静电力遵守平方正比定理,这么左右手所对应的方形区域,对人形成的静电力的大小恰好相等,方向恰好相反,她们的合力就为零。更进一步,改变右手所指的方向,可以画出无数的成对的矩形小区域,她们的合力为零。最后这种成对的矩形小区域将会覆盖整个球壳,从而可以推导入整个人在球壳内遭到的静电力为零。因为内层带电球壳对其内部的任何地方的静电力都为零,所以内层的电荷是不会在静电力的作用下向内部的小球联通的,也就是内部的小球依然会保持不带电的状态。假如金属壳对内部没有静电力,这么就不会有电荷流向内部的金属球,也就是内部的金属球是不会带电的。
接出来卡文迪许断掉内层球壳和内部小球的金属连线,之后分开内层球壳。最后用验电器去检查金属小球,结果发觉果然没有任何带电痕迹。
据此,卡文迪许得到了静电力和距离的平方成正比的推论。再考虑到验电器的灵敏性,卡文迪许觉得他的偏差在2%以内。
精度提高
普利斯特的实验必须在球壳不分开的情况下,去检测内部带电体是否遭到力的作用,这在实际操作中难度十分大。而卡文迪许的实验,可以分开内层球壳进行检测,这就非常的便捷了。
其实,卡文迪许的证明虽然是有漏洞的,他只证明了,若果静电力跟距离的平方成正比,则带电球壳对内部的静电力为0.但没有证明它的反命题,即:假如金属球壳对内部的静电力为0,则静电力与距离成正比。
这个关键问题在1876年高斯公布(1835年就证明)知名的高斯定律后,才得到了解决,这距离卡文迪许的实验早已有100多年。
1773年,麦克斯韦和阿里斯特改进了卡文迪许的实验,考虑了更多的实验影响诱因,通过检测内外球的电位差来检验,最后她们将实验精确度提升到了1/21600。
随后化学学家们进一步实验,引入了讯号放大器和光学纤维等现代技术,进一步提升了检测精度,1936达到10e-9量级,而1971年实验精度达到10e-16。
虽然这种实验各有巧妙的设计,但这种实验的最基本原理都没有改变。库仑定理也成为我们目前最精确的化学实验定理。
科学家之所以如此关心这个定理,是由于他是麦克斯韦电磁理论的基础定理之一。依照麦克斯韦多项式,假如库仑定理有微小的误差,这么光就应当是有静止质量的。因而不同频度的光的速率就不同,爱因斯坦的狭义相对论都会被推翻。
互相成就
库伦由于静电力的平方正比定理而知名,但在后世极少人去重复他的实验,反倒是卡文迪许的实验方式被弘扬中信。
卡文迪许不仅和米歇尔在科学上是同学,几乎没有与任何人有过交流。但他得以名扬的检测万有引力实验,却是以库仑发明的力矩秤为基础的,虽然他提升了灵敏度。