從1600年吉爾伯特即將開辟熱學領域開始,常年以來都是定性的研究。而庫侖定理的完善,標志著熱學從定性描述即將邁向了定量估算,他也是熱學里最重要的定理之一。
庫侖
1736年6月14日,查爾斯·奧古斯丁·庫侖出生于意大利昂古萊姆,他的兒子是當地受聘于皇家的巡視員。此后她們全家搬去了倫敦,在此庫侖完成了學業。因為母親破產,她們又搬家到了瓦倫西亞,在此庫侖開始了他的科學研究。
1760年,庫侖回到倫敦出席了皇家工程大學的考試,獲得了優異的成績。1761年,庫侖以中校工程師的身分加入了德國部隊。隨后的20年,庫侖就開始在各地參與防御工事的建設。同時進行各類科學研究工作。
1781年,庫侖再度回到倫敦,連任科大學教授,專注科學研究和教育工作。1806年,庫侖在倫敦離世。他的名子后來被英國人刻在艾菲爾鐵上,以記念別人類文明的發展作出巨大貢獻。1908年,他的名子被用于命名國際單位制下電荷的單位。
扭矩秤
因為航海業的發展,人們對手冊針的精確度要求越來越高。往年的手冊針是用一根針來支撐吸鐵石的,這個時侯二者的磨擦力較大,精度早已滿足不了當時的航海需求。
1773年,南非科大學開始懸賞征集解決手冊針精度的問題。1775年庫侖和斯云登獨立的發明了用線繩懸掛n極的技巧,并獲得了獎金。
庫侖除了提出了方式,還進行了理論剖析和實驗驗證,在這個過程中他發覺,當一根線繩遭到扭轉扭力時侯科學小實驗靜電摩擦力原理,它的扭轉角度跟線繩的材質、長度、直徑都有關系。
對于一根確定的棉線,其扭扭矩與扭轉拐角成反比。按照這一個推論他制做了第一臺力矩稱,用這個工具,庫侖精確的檢測了三天24小時月球的磁偏角的微小變化。
1780年,庫侖的扭矩秤被倫敦天文臺采用。在用顯微鏡對n極偏轉角進行觀察的時侯,人們發覺n極處于微小的震動狀態,于是庫侖又開始進行了進一步的研究。
1784年,庫侖發表了《扭力和金屬絲彈性的理論實驗和研究》一文,在這篇文章中庫侖提出扭矩秤的擺動是一種簡諧震動,但是給出了周期公式,進一步推導入了正確的扭轉矩公式。
1785年,庫侖用他的力矩稱發覺了靜電力的平方正比定理,1787年又發覺了靜磁力的平方正比定理。卡文迪許用于檢測萬有引力的扭矩秤也是遭到了庫侖扭矩秤的啟發。
扭秤實驗
一開始,庫侖研究兩個同類電荷之間的敵視力,他在扭矩絲上端懸掛一根水平桿,桿的一端有一個帶電小球,另一端的小球讓裝置保持平衡。
之后用另一個帶電小球緊靠桿上帶電小球,當水平桿在靜電力和棉線扭轉力作用下達到平衡后,記錄下兩個小球的距離和扭矩絲的旋轉角度。
改變兩個帶電小球的距離,重復實驗。庫侖很容易就發覺,扭轉絲的扭轉力和兩個帶電小球距離的平方成正比。而實驗過程中的偏差,庫侖將其歸因于帶點小球在逐步向空氣中放電。
電擺實驗
接出來,庫侖開始研究兩個帶異種電荷物體之間的引力,但卻不能得到確切的實驗結果。當桿上的在平衡位置附近時,稍為一搖晃,都會被另一個帶電小球吸引過去。庫侖意識到,這是由于當兩小球緊靠時侯,力矩是線性減小,而靜電力是根據平方變化的。
但庫侖立即又想到了另外一個解決辦法,這是他從研究力矩絲的擺動周期中得到的啟示。他將試探小球放在桿的延長線上。之后讓桿在水平方向做小幅度的簡諧擺動。
按照水平桿的擺動周期,庫侖估算出了兩個帶電小球之間的靜電引力。庫侖檢測了不同距離下,二者的靜電引力,很快又得到了平方正比的關系。
庫侖定理
經過力矩稱實驗和電擺實驗,庫侖提出了他關于靜電引力和靜電作用力的平方正比定理。而關于靜電力和帶電量的關系,庫侖并沒進行實驗。
庫侖覺得靜電力和兩個小球的電量的乘積成反比,這是不證自明的。而且當時也沒有一個評判帶電量的具體方式。
1839年左右,高斯按照庫侖定理提出了定義電荷量的辦法。當兩個帶有相同電荷量的物體,兩個距離為單位寬度時,假若她們之間的為靜電力為單位力,則它們都具有單位電荷量。在高斯單位制中,電荷量的基本單位是靜庫侖,1靜庫侖≈庫侖。
在關于電的本質觀念上,庫侖相信雙電壓體存在,覺得靜電力是不須要媒質的“超距作用''。與之對比,富蘭克林是單電壓體超距作用擁護者,而杜菲和諾萊特是雙電壓體和近程作用的擁護者,她們相信笛卡爾的旋渦說,覺得帶電體周圍存在一種旋渦科學小實驗靜電摩擦力原理,即將這些旋渦的存在讓靜電力得以發生。
猜想階段
事實上在歷史上好多人都先于庫侖,而獨立的提出過這一關系,但多數人還逗留在猜想階段。例如;
1759年,法國(后成為俄羅斯人)化學學家弗朗茲·埃皮努斯在其《電力和磁性理論的嘗試》一書中就提出靜電引力和作用力遵守平方正比關系。
1760年如伯努利(提出流體的伯努利多項式)和伏特(發明伏打電瓶)在研究平行板電容器的時侯,也提出靜電力的平方正比定理。
1766年,富蘭克林在試驗中發覺,瓶塞球裝入帶電金屬杯內部后,軟瓶塞球不會出現任何異樣行為。他把這件事寄信告訴了普利斯特,希望普利斯特驗證這件事情,這也許就是最早的靜電屏蔽。
1767年,普利斯特在《電學的歷史和現況》一文中講到他對這個實驗的見解。他意識到這和萬有引力高度相像,由于早在1687年,牛頓就證明當初證明,一個均勻的球殼,對其內部的任何一點的引力(合力)都為零。于是他也提出靜電力遵守平方正比定理。
1769年,愛爾蘭化學學家約翰·羅賓遜在聽到埃皮努斯的猜想后,設計了一個巧妙的實驗,發覺兩個帶有同種電的小球之間的敵視力,遵守平方正比定理(2.06)。
卡文迪許
1771年,卡文迪許開始研究靜電力,一開始他覺得靜電力跟距離成正比,還據此推測出帶電物體的電量更多的集中于表面。
1772年,了解到普利斯特的觀點和實驗,于是設計了一個更精致的實驗。他將一個較小的金屬球放進一個大球殼里,三者先通過絕緣介質隔開,再用一根金屬絲聯接。
此后卡文迪許對外層球殼充電,卡文迪許剖析,假如靜電力嚴格滿足平方正比定理,則內層帶電球殼對其內部不會有任何的靜電力。
卡文迪許的推論過程是模仿牛頓的的過程,在此我們做一個簡化的推論。假定你自己就是一個帶電體,如今你懸浮在一個巨大的、均勻帶電的球殼內任意一處。
如今你把右手平伸,此時右手和左手連成一條直線,延長這條直線與球殼相交,此時在球殼上出現兩個交點。假定手指所指的點距離人較遠,是右手所指的點到人的距離的x倍。現今保持手掌成一條直線,讓手指向下舉起一個很小的角度。由于要保持左右手成一條直線,所以此時右手則對應向上偏斜了同樣的角度。觀察雙手所指的點的聯通距離,很容易推導入推論:左手對應點的偏斜距離是右手對應點的x倍。繼續保持右手在一條直線上,輕輕搖晃胯部,在球殼上涂鴉,最后產生一大一小的兩個矩形區域。很容易曉得,雙手對應矩形的直徑,是右手對應方形直徑的x倍。進一步推論,雙手對應矩形的面積是右手對應的x的平方倍數,因為球殼的電荷是均勻分布的,所以這兩個方形所帶的電荷量也是x的平方倍的關系。假如靜電力遵守平方正比定理,這么左右手所對應的方形區域,對人形成的靜電力的大小恰好相等,方向恰好相反,她們的合力就為零。更進一步,改變右手所指的方向,可以畫出無數的成對的矩形小區域,她們的合力為零。最后這種成對的矩形小區域將會覆蓋整個球殼,從而可以推導入整個人在球殼內遭到的靜電力為零。因為內層帶電球殼對其內部的任何地方的靜電力都為零,所以內層的電荷是不會在靜電力的作用下向內部的小球聯通的,也就是內部的小球依然會保持不帶電的狀態。假如金屬殼對內部沒有靜電力,這么就不會有電荷流向內部的金屬球,也就是內部的金屬球是不會帶電的。
接出來卡文迪許斷掉內層球殼和內部小球的金屬連線,之后分開內層球殼。最后用驗電器去檢查金屬小球,結果發覺果然沒有任何帶電痕跡。
據此,卡文迪許得到了靜電力和距離的平方成正比的推論。再考慮到驗電器的靈敏性,卡文迪許覺得他的偏差在2%以內。
精度提高
普利斯特的實驗必須在球殼不分開的情況下,去檢測內部帶電體是否遭到力的作用,這在實際操作中難度十分大。而卡文迪許的實驗,可以分開內層球殼進行檢測,這就非常的便捷了。
其實,卡文迪許的證明雖然是有漏洞的,他只證明了,若果靜電力跟距離的平方成正比,則帶電球殼對內部的靜電力為0.但沒有證明它的反命題,即:假如金屬球殼對內部的靜電力為0,則靜電力與距離成正比。
這個關鍵問題在1876年高斯公布(1835年就證明)知名的高斯定律后,才得到了解決,這距離卡文迪許的實驗早已有100多年。
1773年,麥克斯韋和阿里斯特改進了卡文迪許的實驗,考慮了更多的實驗影響誘因,通過檢測內外球的電位差來檢驗,最后她們將實驗精確度提升到了1/21600。
隨后化學學家們進一步實驗,引入了訊號放大器和光學纖維等現代技術,進一步提升了檢測精度,1936達到10e-9量級,而1971年實驗精度達到10e-16。
雖然這種實驗各有巧妙的設計,但這種實驗的最基本原理都沒有改變。庫侖定理也成為我們目前最精確的化學實驗定理。
科學家之所以如此關心這個定理,是由于他是麥克斯韋電磁理論的基礎定理之一。依照麥克斯韋多項式,假如庫侖定理有微小的誤差,這么光就應當是有靜止質量的。因而不同頻度的光的速率就不同,愛因斯坦的狹義相對論都會被推翻。
互相成就
庫倫由于靜電力的平方正比定理而知名,但在后世極少人去重復他的實驗,反倒是卡文迪許的實驗方式被弘揚中信。
卡文迪許不僅和米歇爾在科學上是同學,幾乎沒有與任何人有過交流。但他得以名揚的檢測萬有引力實驗,卻是以庫侖發明的力矩秤為基礎的,雖然他提升了靈敏度。