论电磁学中的库仑定律

论电磁学中的库仑定律

人们对电的认识始于电的外观，即“带电体”对轻小颗粒的有效作用。这种表象的出现可以了解到的是一种实在的表象。存在的物质(存在者)必有所表象,一个没有任何表象的存在者其实是不存在的(非存在者)。通过对电表象的研究可以揭示出表象背后隐藏的存在者,进一步证实存在者的实在性和遵守的物理规律。一、主体的分子中具有电的作用早在公元前6世纪,古希腊的泰勒斯就观察到琥珀被毛皮摩擦后能够吸引草屑的现象,这表明它在摩擦后进入一种特别的状态。我们把处于这种状态的物体叫做带电体,并说它带有电荷。电荷是物质的固有属性,代表物质间存在着电相互作用。电力有且只有引力和斥力两种,因此电荷被分为正电荷和负电荷两类。约定电子带“负电”,质子带“正电”。同性电荷相斥,异性电荷相吸。构成物质的原子由带负电的核外电子和带正电的原子核构成,原子核又由质子和不带电的中子构成,质子与电子所带电量的绝对值是相等的,均为1.602177×10-19C。在通常情况下,整个原子是电中性的。一切物体带电的根本原因,就是组成物体的原子、分子中,存在着电子和质子。当其在某种外因作用下,比如摩擦,使得电子发生转移,物体上的电子多于或少于电子数。物体所带电荷的多少称为电量。二、象的出现是象的出现电的表象是对轻小物质有力的作用,这种表象的出现可以了解到应当是一种实在的表象。因此电荷之间相互作用的研究就显得十分迫切了,电荷之间相互作用究竟遵循什么规律?1、类比法的成功1767年,普利斯特利将空罐实验与牛顿推理类比,猜测电荷之间的相互作用力具有类似于万有引力的平方反比形式。2、发表在5.5年的分类1769年,苏格兰物理学家约翰·罗比逊首次通过实验发现两个带电球体之间的作用力与它们之间距离的2.06次方成反比。可惜他的这项发现直到1801年才发表。1770年代早期,著名英国物理学家亨利·卡文迪什通过巧妙的实验,得出了带电体之间的作用力依赖于带电量与距离,并得出静电力与距离的2±1/50成反比,只是卡文迪什没有公布这个结果。3、万有引力摆实验与正比/整体观念1785年,库仑发表了第一篇有关电荷作用力的论文,报导他对电力随距离变化的研究。他用自己发明的电扭秤来研究等量同号电荷间的作用力,其试验原理就是电力矩等于银丝的扭力矩。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1∶1/2∶1/4,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∶4∶16。于是,库仑得出了“带同号电的两球之间的斥力,与两球中心之间距离的平方成反比”的结论。1787年库仑宣读了第二篇论文,用电摆实验测量异号电荷的吸引力,——其原理与万有引力作用下的单摆实验相似。地面上单摆周期为若其中G为万有引力常数,M和r为地球的质量和半径,L为摆线长度。如果电引力也遵从平方反比规律,则图中电摆lg的振动周期也应与其带电端l和另一固定的带异号电荷的金属球G之间的距离成正比。库仑在论文中列举了三次测量的结果,l,g间距比取为3∶6∶8,测得电摆周期比为20∶41∶60,相当于3∶6.15∶9,两者接近于正比关系。库仑认为误差是由于实验过程中的漏电,致使电引力逐渐变小,周期相应变大。经过修正,实验值与理论值才基本相符。于是他得出结论:“正电与负电的相互吸引力,也与距离的平方成反比”。从这两篇论文可以看出,库仑做出电力随距离变化的平方反比定律的发现,关键的实验不是电扭秤实验,而是电摆实验。因为同号电荷的斥力早已有普利斯特利的论断,而异号电荷的吸引力则是第一次出现在文献中。从库仑的发现经过可以看出,平方反比的关系自始至终对他的实验起着指导作用,例如:(1)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。如果库仑不是先有平方反比的概念,他为什么不用来表示呢?(2)库仑并没有改变电量进行测量,而是说“假说的前一部分无需证明”,显然他是在模仿万有引力定律,认为电力分别与相互作用的两个电荷量成正比,就如同万有引力分别与相互作用的两个物体的质量成正比一样。(3)库仑和上面提到的几位先行者一样,都是按万有引力的模式来探讨电力的规律性。他曾写道:“我们必须归结于那些人们为了解释物体重量和天体物理现象时不得不采用的吸引力和排斥力性质。”4、万有引力定律的发现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。由此我们可以看到类比在科学研究中的作用。三、点电荷叠加原理即假设库仑定律库仑定律表述如下:真空中两静止点电荷之间的相互作用力的大小与它们所带电量的乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比;作用力的方向沿着两电荷的连线,同号电荷相斥(为正),异号电荷相吸(为负),这一结论称为库仑定律。其数学表达式为常量ε0=8.85×10-12C2/(N⋅m2)称为真空电容率或真空介电常量。实验证明,库仑定律在10-17~107m的范围内是极其精确的。当空间有两个以上的点电荷时,作用在某点电荷q上的总静电力等于其他各点电荷单独存在时对该点电荷所施的静电力的矢量和。这一结论称为静电力的叠加原理。该原理表明:(1)一个点电荷作用于另一点电荷的力,总是服从库仑定律的,不论其周围是否存在其它电荷。(2)任何宏观带电体都可以分成无限多个带电元,将这些带电元视为点电荷,利用库仑定律和力的迭加原理,原则上可以解决静电学的全部问题。四、带电体作用的“超距作用”观点库仑定律精确地阐明了带电体相互作用的规律,使人类对电荷的认识从定性认识跨入定量研究,从而使电磁学成为一门真正的科学,为继续发展电动力学奠定了基础。然而库仑定律却没有解决电荷间相互作用力是如何传递的,甚至按照库仑定律的内容,库仑力不需要借助任何媒介,也不需要时间,而是直接从一个带电体作用到另一个带电体上的。即电荷之间的相互作用是一种“超距作用”,表示为电荷⇔电荷,超距作用和质点运动就构成了机械论观点的基础;然而有另一批物理学家认为这类力是“近距作用”电力是通过一种充满在空间的弹性煤质——以太来传递的,表示为电荷⇔以太⇔电荷。英国科学家法拉第在研究电场时首先提出场的观点。他认为电荷会在其周围空间激发电场,处于电场中的其它电荷将受到力的作用,即电荷与电荷的相互作用是通过存在于它们之间的场来实现的,可表示为电荷⇔电场⇔电荷。现代科学已经证实,相互作用不是“超距”的,但“近距作用”观点所假定的以太也是不存在的,电荷之间存在相互作用力是通过电场来传递的,电荷之间相互作用的传递速度是光速。至此,人类终于彻底认识到电荷的相互作用。“场”是物质存在的一种形态,与实物粒子一样具有能量和动量等物质的基本属性,但电磁场也有它的特殊性:有作为场的特点的波动性和迭加性;它可以脱离电荷或电流而单独存在;几个电磁场可以同时占据同一几何空间。五、静电力的东南角反比关系库仑定律是平方反比定律,自发现以来,科学家不断检验指数2的精度。1971年威廉等人的实验表明库仑定律中指数2的偏差不超过10-16,因此假定为2。为什么这一检验工作如此受到重视呢?这是因为平方反比定力是三维空间里最简单的力,它遵从的是最简单的方程。与此同时,传递反平方电磁力的场量子——光子是无静止质量的,如果电力的负幂指数不刚好等于2,电屏蔽就不会是完全的,光子静止质量也不等于零,这样一来,整部电动力学都要重写。即静电力的平方反比关系是与光子的静质量是否精确为零相关的,如果指数不为2就会动摇物理学大厦的重要基石。所以,对静电力的平方反比关系的精确验证,关系着现代物理学基本理论的基础。到目前为止,理论和实验表明点电荷作用力的平方反比定律是相当精确的。200多年来,电力平方反比律的精度提高了十几个数量级,使它成为当今物理学中最精确的实验定律之一。回顾库仑定律的建立过程,库仑并不是第一个做这类实验的人,而且他的实验结果也不是最精确的。我们之所以把平方反比定律称为库仑定律是因为库仑结束了电学发展的第一个时期。库仑的工作使静电学趋于高度完善。电量的单位也是为了纪念库仑而以他的名字命名的。六、库仑定律的发现—总结人类从电的表象——“带电体”对轻小物质有力作用开始研究,认识到带电体普遍存在(即电荷是物质的一种基本属性)。但电荷间相互作用所遵从的规律是什么?人类经历了漫长的探索过程,仍停留在定性认识阶段,直到1785年,库仑类比万有引力,加上自己所做的巧妙实验:电扭秤实验、电摆实验,终于得到电荷间作用的精确定律——库仑定律,但库仑做出电力随距离变化的平方反比定律的发现,关键的实验不是电扭秤实验,而是电摆实验;应当看到电荷作用是平方反比定律的