論電磁學中的庫侖定律

論電磁學中的庫侖定律

人們對電的認識始于電的外觀，即“帶電體”對輕小顆粒的有效作用。這種表象的出現(xiàn)可以了解到的是一種實在的表象。存在的物質(存在者)必有所表象,一個沒有任何表象的存在者其實是不存在的(非存在者)。通過對電表象的研究可以揭示出表象背后隱藏的存在者,進一步證實存在者的實在性和遵守的物理規(guī)律。一、主體的分子中具有電的作用早在公元前6世紀,古希臘的泰勒斯就觀察到琥珀被毛皮摩擦后能夠吸引草屑的現(xiàn)象,這表明它在摩擦后進入一種特別的狀態(tài)。我們把處于這種狀態(tài)的物體叫做帶電體,并說它帶有電荷。電荷是物質的固有屬性,代表物質間存在著電相互作用。電力有且只有引力和斥力兩種,因此電荷被分為正電荷和負電荷兩類。約定電子帶“負電”,質子帶“正電”。同性電荷相斥,異性電荷相吸。構成物質的原子由帶負電的核外電子和帶正電的原子核構成,原子核又由質子和不帶電的中子構成,質子與電子所帶電量的絕對值是相等的,均為1.602177×10-19C。在通常情況下,整個原子是電中性的。一切物體帶電的根本原因,就是組成物體的原子、分子中,存在著電子和質子。當其在某種外因作用下,比如摩擦,使得電子發(fā)生轉移,物體上的電子多于或少于電子數。物體所帶電荷的多少稱為電量。二、象的出現(xiàn)是象的出現(xiàn)電的表象是對輕小物質有力的作用,這種表象的出現(xiàn)可以了解到應當是一種實在的表象。因此電荷之間相互作用的研究就顯得十分迫切了,電荷之間相互作用究竟遵循什么規(guī)律?1、類比法的成功1767年,普利斯特利將空罐實驗與牛頓推理類比,猜測電荷之間的相互作用力具有類似于萬有引力的平方反比形式。2、發(fā)表在5.5年的分類1769年,蘇格蘭物理學家約翰·羅比遜首次通過實驗發(fā)現(xiàn)兩個帶電球體之間的作用力與它們之間距離的2.06次方成反比?？上倪@項發(fā)現(xiàn)直到1801年才發(fā)表。1770年代早期,著名英國物理學家亨利·卡文迪什通過巧妙的實驗,得出了帶電體之間的作用力依賴于帶電量與距離,并得出靜電力與距離的2±1/50成反比,只是卡文迪什沒有公布這個結果。3、萬有引力擺實驗與正比/整體觀念1785年,庫侖發(fā)表了第一篇有關電荷作用力的論文,報導他對電力隨距離變化的研究。他用自己發(fā)明的電扭秤來研究等量同號電荷間的作用力,其試驗原理就是電力矩等于銀絲的扭力矩。庫侖在論文中舉了一組數據,兩小球相距36個刻度、18個刻度和8.5個刻度,即間距大體上是1∶1/2∶1/4,得到銀絲分別扭轉了36個刻度、144個刻度和576個刻度。即電力約為1∶4∶16。于是,庫侖得出了“帶同號電的兩球之間的斥力,與兩球中心之間距離的平方成反比”的結論。1787年庫侖宣讀了第二篇論文,用電擺實驗測量異號電荷的吸引力,——其原理與萬有引力作用下的單擺實驗相似。地面上單擺周期為若其中G為萬有引力常數,M和r為地球的質量和半徑,L為擺線長度。如果電引力也遵從平方反比規(guī)律,則圖中電擺lg的振動周期也應與其帶電端l和另一固定的帶異號電荷的金屬球G之間的距離成正比。庫侖在論文中列舉了三次測量的結果,l,g間距比取為3∶6∶8,測得電擺周期比為20∶41∶60,相當于3∶6.15∶9,兩者接近于正比關系。庫侖認為誤差是由于實驗過程中的漏電,致使電引力逐漸變小,周期相應變大。經過修正,實驗值與理論值才基本相符。于是他得出結論:“正電與負電的相互吸引力,也與距離的平方成反比”。從這兩篇論文可以看出,庫侖做出電力隨距離變化的平方反比定律的發(fā)現(xiàn),關鍵的實驗不是電扭秤實驗,而是電擺實驗。因為同號電荷的斥力早已有普利斯特利的論斷,而異號電荷的吸引力則是第一次出現(xiàn)在文獻中。從庫侖的發(fā)現(xiàn)經過可以看出,平方反比的關系自始至終對他的實驗起著指導作用,例如:(1)庫侖雖然直接測量了電荷之間作用力與距離的關系,但精確度畢竟有限,如果用平方反比關系表示,其指數偏差可達0.04。如果庫侖不是先有平方反比的概念,他為什么不用來表示呢?(2)庫侖并沒有改變電量進行測量,而是說“假說的前一部分無需證明”,顯然他是在模仿萬有引力定律,認為電力分別與相互作用的兩個電荷量成正比,就如同萬有引力分別與相互作用的兩個物體的質量成正比一樣。(3)庫侖和上面提到的幾位先行者一樣,都是按萬有引力的模式來探討電力的規(guī)律性。他曾寫道:“我們必須歸結于那些人們?yōu)榱私忉屛矬w重量和天體物理現(xiàn)象時不得不采用的吸引力和排斥力性質。”4、萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)從庫侖定律的發(fā)現(xiàn)經過我們可以看到類比在科學研究中所起的作用。如果不是先有萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),單靠實驗具體數據的積累,不知要到何年才能得到嚴格的庫侖定律的表達式。實際上,整個靜電學的發(fā)展,都是在借鑒和利用引力理論的已有成果的基礎上取得的。由此我們可以看到類比在科學研究中的作用。三、點電荷疊加原理即假設庫侖定律庫侖定律表述如下:真空中兩靜止點電荷之間的相互作用力的大小與它們所帶電量的乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比;作用力的方向沿著兩電荷的連線,同號電荷相斥(為正),異號電荷相吸(為負),這一結論稱為庫侖定律。其數學表達式為常量ε0=8.85×10-12C2/(N?m2)稱為真空電容率或真空介電常量。實驗證明,庫侖定律在10-17~107m的范圍內是極其精確的。當空間有兩個以上的點電荷時,作用在某點電荷q上的總靜電力等于其他各點電荷單獨存在時對該點電荷所施的靜電力的矢量和。這一結論稱為靜電力的疊加原理。該原理表明:(1)一個點電荷作用于另一點電荷的力,總是服從庫侖定律的,不論其周圍是否存在其它電荷。(2)任何宏觀帶電體都可以分成無限多個帶電元,將這些帶電元視為點電荷,利用庫侖定律和力的迭加原理,原則上可以解決靜電學的全部問題。四、帶電體作用的“超距作用”觀點庫侖定律精確地闡明了帶電體相互作用的規(guī)律,使人類對電荷的認識從定性認識跨入定量研究,從而使電磁學成為一門真正的科學,為繼續(xù)發(fā)展電動力學奠定了基礎。然而庫侖定律卻沒有解決電荷間相互作用力是如何傳遞的,甚至按照庫侖定律的內容,庫侖力不需要借助任何媒介,也不需要時間,而是直接從一個帶電體作用到另一個帶電體上的。即電荷之間的相互作用是一種“超距作用”,表示為電荷?電荷,超距作用和質點運動就構成了機械論觀點的基礎;然而有另一批物理學家認為這類力是“近距作用”電力是通過一種充滿在空間的彈性煤質——以太來傳遞的,表示為電荷?以太?電荷。英國科學家法拉第在研究電場時首先提出場的觀點。他認為電荷會在其周圍空間激發(fā)電場,處于電場中的其它電荷將受到力的作用,即電荷與電荷的相互作用是通過存在于它們之間的場來實現(xiàn)的,可表示為電荷?電場?電荷。現(xiàn)代科學已經證實,相互作用不是“超距”的,但“近距作用”觀點所假定的以太也是不存在的,電荷之間存在相互作用力是通過電場來傳遞的,電荷之間相互作用的傳遞速度是光速。至此,人類終于徹底認識到電荷的相互作用?！皥觥笔俏镔|存在的一種形態(tài),與實物粒子一樣具有能量和動量等物質的基本屬性,但電磁場也有它的特殊性:有作為場的特點的波動性和迭加性;它可以脫離電荷或電流而單獨存在;幾個電磁場可以同時占據同一幾何空間。五、靜電力的東南角反比關系庫侖定律是平方反比定律,自發(fā)現(xiàn)以來,科學家不斷檢驗指數2的精度。1971年威廉等人的實驗表明庫侖定律中指數2的偏差不超過10-16,因此假定為2。為什么這一檢驗工作如此受到重視呢?這是因為平方反比定力是三維空間里最簡單的力,它遵從的是最簡單的方程。與此同時,傳遞反平方電磁力的場量子——光子是無靜止質量的,如果電力的負冪指數不剛好等于2,電屏蔽就不會是完全的,光子靜止質量也不等于零,這樣一來,整部電動力學都要重寫。即靜電力的平方反比關系是與光子的靜質量是否精確為零相關的,如果指數不為2就會動搖物理學大廈的重要基石。所以,對靜電力的平方反比關系的精確驗證,關系著現(xiàn)代物理學基本理論的基礎。到目前為止,理論和實驗表明點電荷作用力的平方反比定律是相當精確的。200多年來,電力平方反比律的精度提高了十幾個數量級,使它成為當今物理學中最精確的實驗定律之一?；仡檸靵龆傻慕⑦^程,庫侖并不是第一個做這類實驗的人,而且他的實驗結果也不是最精確的。我們之所以把平方反比定律稱為庫侖定律是因為庫侖結束了電學發(fā)展的第一個時期。庫侖的工作使靜電學趨于高度完善。電量的單位也是為了紀念庫侖而以他的名字命名的。六、庫侖定律的發(fā)現(xiàn)—總結人類從電的表象——“帶電體”對輕小物質有力作用開始研究,認識到帶電體普遍存在(即電荷是物質的一種基本屬性)。但電荷間相互作用所遵從的規(guī)律是什么?人類經歷了漫長的探索過程,仍停留在定性認識階段,直到1785年,庫侖類比萬有引力,加上自己所做的巧妙實驗:電扭秤實驗、電擺實驗,終于得到電荷間作用的精確定律——庫侖定律,但庫侖做出電力隨距離變化的平方反比定律的發(fā)現(xiàn),關鍵的實驗不是電扭秤實驗,而是電擺實驗;應當看到電荷作用是平方反比定律的