库仑定律的发现

库仑定律的发现

上节说到富兰克林的风筝实验，证明了天电和地电原来是一回事。富兰克林做过的许多电学实验，有一个是金属桶实验，实际上就是拿一个罐头盒，把木髓球悬吊着放在里面，让罐头盒带电，看木髓球受不受影响。富兰克林注意到，不管木髓球处在什么位置，都丝毫不受电的作用。富兰克林百思不解，就写信问他的好友英国人普列斯特利，请他重复这个实验并作出解释。普列斯特利虽然是化学家，对物理特别是电学也很熟悉，并且很了解牛顿的学说，他肯定了，富兰克林的实验，把牛顿的力学原理联系上来。牛顿从理论上证明，如果吸引力遵守平方反比定律，在空心的均匀球壳中任一质点，它所受各个方向的吸引力应互相抵消。普列斯特利想，这一现象会不会正好是说明电力和万有引力之间的相似性呢？既然万有引力遵守平方反比定律，电力会不会也遵守平方反比定律呢？牛顿在一个世纪以前就曾指出，重力、电力和磁力都属于同一类型的力（即所谓的长程力），遵守平方反比定律会不会就是它们之间的共同属性呢？于是，普列期特利根据类比方法作出了科学的预测。他的这种看法，在当时有一定的代表性，因为牛顿力学的巨大成就，使人们很自然地想到力学规律的普遍性。

1759年德国柏林科学院院士爱皮努斯，1760年法国数学家D．伯努利都曾作过类似的猜测。但是真正要作出科学结论，还需从实验予以确证。

最早在这方面进行实验的是苏格兰的罗比逊。1769年，他注意到爱皮努斯写的书，对爱皮努斯的猜测感兴趣，就设，计了实验装置。这个装置很精巧，它是利用重力和电力互相平衡的原理来测电力跟距离的关系。设两小球带同性电，斥力会使转臂离开平衡位置改变距离，转动带有指针的支梁，直至使两球距离符合实验要求时为止，从转过的角度即可算出转矩，从而求出电力f跟距离r的关系。这个关系可以用公式表示，其中δ叫指数偏差。罗比逊根据实验得出δ＝0．06，他认为指数偏大原因应归于实验误差。

虽然罗比逊只对同性电的斥力进行过测量，但仍不失为从实验定量测量电力的首创者，也可以说他是库仑定律的最早发现者。遗憾的是，罗比逊对自己的工作缺乏信心，没有及时发表。

另一位实验者是英国人卡文迪什。他在1773年用两个同心金属做实验，外球壳是两个半球，合拢正好与内球同心。内球直径12．1英寸（31厘米），外球直径13．3英寸（34厘米），厚1/20英寸（0．127厘米）。先用一根导线将莱顿瓶接到外球，使外球带电，内外球间也有导线相联，外球壳带电后即拆去联线。然后打开外球壳，用木髓球验电器试验内球是否带电。结果发现，木髓球验电器没有指示，证明内球没有带电，电荷完全分布在外球壳上。卡文迪什将这一实验重复了多次，确定指数偏差不超过0．02。

这是一个十分精确的实验，设计思想相当巧妙。然而，卡文迪什用的却是极其简陋而原始的实验仪器，他成功的关键在于，以牛顿的力学原理为借鉴，通过数学分析，将直接测量变为间接测量，用示零法来判断结果，这就充分发挥了人的主观能动性。

但是，卡文迪什的工作也没有及时发表。他的实验比库仑还早15年。直到1879年，一百年过去了，他的手稿由麦克斯韦整理发表，这件事才为世人所知。

库仑用扭秤直接测量电力和磁力的实验是众所周知的，他的电扭秤是一个直径和高均为30厘米的玻璃缸，上面盖一块玻璃板，盖板上开了两个洞。中间的洞装有一支高60厘米的玻璃管。管的顶端有一螺旋测角器，下连银丝，银丝下端挂一横杆，杆的一端为一小球，另一端贴一纸片作配平用。圆缸顶上刻有320个分格，可以读数。实验时先使一个小球带电，再使另一同样大的小球与之接触，于是两球均分电荷，产生斥力而分离。然后藉银扭丝恢复两球的原始位置，从扭丝的转角可以测知电力的大小。库仑从几次实验记录判定：电力与距离的平方成反比。

库仑没有改变电量与作用力的关系，他没有研究异性电荷的吸力，就径直得出电力与距离的平方成反比的普遍定律。显然库仑也是得益于牛顿的万有引力定律。牛顿力学的启示，使电学的发展缩短了相当长的路程，少走了许多弯路。否则，要从实验数据的积累总结归纳出实验定律，这个过程将会何等曲折！可见，类比的方法在科学发展的历程中起了多么重要的作用！

电力的平方反比定律也叫库仑定律，它的地位和引力的平方反比定律一样，在电学中是一个重要的基本定律。有了库仑定律，静电学的发展就势如破竹，很快形成了系统的理论。就在这个时候，能产生稳定电流的电池出现了。电学研究又出现了新局面。19世纪成了电学大发展的时代。