由金箔所产生的静电定律

Posted 2022-12-26 卓晴

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01 第一个电的定理

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一、背景简介

  一小片金箔是如何导致人们发现了电的第一个定律？ 为什么这个定理内容只有一半是正确的？ 那么其中哪些是正确的，哪些是错误的呢？  在Kathy 老师讲述的相关故事中包括有静电是如何起作用的、 为何在空气潮湿的时候静电不起作用、为何它经常流逝迷惑我们？

二、杜费

  在1731年一位名叫史蒂芬·格雷在皇家科学会刊上发表了一系列的书信文章，描述了电是如何传导的。 很可惜这些发现在当时几乎没有引起任何的关注。 当时的人们都在关注人工智能，不，是牛顿的关于地球引力革命性的思想，以及超距离力的传递。 然后，这些文章有幸被一位当时法国富裕33岁的富裕贵族阅读，这位贵族名叫 查尔斯·弗朗索瓦·德·希斯特尔耐·杜费 。 杜费长时间从事外交官和士官工作，实际上他从14岁便参军了。 为了追寻自己的真爱提前退伍了，这个真爱就是科学。

▲ 图1.1.1 查尔斯·弗朗索瓦·德·希斯特尔耐·杜费

三、金属起电

  当杜费阅读完来自于史蒂芬·格雷关于电的传导文章， 杜费猜测，是否所有的物体都能摩擦生电，只是我们无法觉察出来，因为大多数情况下电都流到大地上。 在当时人们认为一个物体能够产生电是指它像琥珀那样通过摩擦产生静电吸引小的物体。  人们认为金属无法产生电，因为你对他们进行摩擦之后并不会吸引小的绒毛。 杜费则认为实际上在这个过程中你摩擦金属也产生了电，只是这些电通过人的手流到了大地上，所以也就无法观察到静电效应了。

▲ 图1.2.2 琥珀摩擦生电

  于是他对一个金属进行摩擦，在此过程中保持手不接触金属，并把摩擦后的金属放在绝缘垫上，这些绝缘垫阻止电流逝。 当时他使用蜡来作为绝缘垫，下面这个动图则使用棉布锅垫。 利用这种方法可以看到摩擦后的金属也可以吸引羽毛，和玻璃或者蜡烛是一样的效果。

▲ 图1.2.3 摩擦后的金属锅可以带有静电

四、两种电荷

  使用这种方法，杜费发现几乎所有的固体在摩擦后都可以吸引小物体，由此他确定所有的物体都包含电，电实际上无处不在。 杜费阅读了当时所有关于静电作用力的文章，实际上这些文章并不很多。 他发现在65年前一位德国人，名叫 奥托·冯·居里克， 在他的 实验中发现当羽毛被吸引到硫磺球上之后，过了一段时间羽毛会自动脱落并与硫磺球之间形成排斥力。 杜费尝试了其他没有味道的物体，他发现只要等的时间足够长，所有被静电吸引的小物体都会被相同的物体排斥。

▲ 图1.2.4 居里克的硫黄球

  于是杜费开始使用金箔来做相同的实验。 你可以看到，如果当时的科学家有钱的话，他们更喜欢使用金子做实验。 不仅是因为金子是导体，更重要的是金子具有非常良好的延展性，你可以通过敲打使其变得非常薄，非常轻，甚至比同样大小的羽毛还轻。

  作为富裕阶层贵族的杜费当然也有钱购买到金子来做实验。 当他把玻璃管摩擦起电之后，放到金箔小球附近，可以看到金箔直接被吸引跳起来粘在玻璃管上，然后又被排斥脱落到地上，然后又再次跳起来。 如果在干燥的大晴天，他可以观察到金箔上上下下，形成金箔舞蹈。

▲ 图1.2.5 静电场中的金属跳跃

  下面是杜费获得的第一个关于电的作用原理的简单规律，280年之后我们认为这条定律依然成立。 按照杜费的描述，所有带电的物体可以吸引那些不带电的物体，当他们相互接触之后，不带电的物体通过接触也带上了电，它们便相互排斥。

  比如对于一些不带电的羽毛、金箔或者铝箔小球可以被带电的绝缘棒吸引，当它们触碰到绝缘棒之后，获得了相同的电荷，于是他们便相互排斥。 当它们掉落到地面，电荷流逝，它们又成为电中性。于是又被静电吸引上来。 这也说明了为什么这样的实验只能在空气干燥的天气下才行， 在潮湿天气中空气中的小水滴被吸引到带电的物体上，当它们接触后便获得了一部分电荷然后被排斥飞走。 在众多的小水滴多次传到之后，充电的物体上的电荷便流失殆尽了，所以也就无法完成任何静电实验了。

  杜费为了验证他的理论他创造了非常聪明的方法。他分别摩擦两个绝缘棒。然后把金属箔靠近其中一个带电绝缘棒上，可以观察到金箔被吸引和排斥。 因为他的理论是关于金箔带有相同的电荷，所以理应金箔也会被第二个绝缘棒排斥。 但这一次他大跌眼镜，居然看到金箔被第二个绝缘棒吸引过去。过了一会儿，金箔从第二个绝缘棒被排斥，然后吸引到第一个绝缘棒上。

▲ 图1.2.6 羽毛在两个绝缘棒上来回移动

  你可以将金属箔更换成更加便宜的羽毛，也能够非常容易的观察到这个现象。可以看到羽毛开始被吸引到第一个绝缘棒上，过了一会儿它被吸引到第二个绝缘棒上。 杜费确定这种现象的出现是因为两个绝缘棒是由不同的材料制作的。一个是用玻璃制作，另外一个使用火漆材料制作。 所以就形成了两种不同性质的电。他将其中一种电称为玻璃电，另外一种为树脂电。 通过详细的实验杜费发现所有物体的电都可以被分类成这两种电。 同样他发现如果物体带有相同的电，他们之间会产生排斥力，如果是不同的电，则产生相互吸引力。

五、电学定律

  杜费制定了电的基本规则：极性相同排斥，极性相反吸引。充电的物体可以吸引电中性的物体。 这当然是完全正确的。但又在哪里出错了呢？是关于一个小的细节部分，但又非常重要。 杜费认为他创造了电。认为如果对玻璃进行摩擦，你就创造了玻璃电。如果你摩擦树脂棒则创造了树脂电。 现在看来这当然是错误的了。在摩擦过程中你没有创造电，只是将电进行了转移。

▲ 图1.2.7 利用金箔组成的验电器

  如果你使用手掌摩擦玻璃棒，电子从你的手上移动到玻璃棒上，玻璃棒就带上了负电荷，你的手上就带有正电荷。 如果你的手摩擦一个树脂棒，树脂棒丢失电子于是带上正电荷，手上则带有负电荷。电始终保持这样的对称性。 由于你身体上的电荷很容易流入大地，所以看到这种对称的现象比较困难。

  杜费在后来的五年之内写了十七篇关于电的论文。 如果不是在1739年他因为得了天花去世，谁也不知道他究竟会发表多少篇关于电的论文。那一年他仅仅41岁。

六、后记

  这位富裕的科学家相信电现象值得研究，越来越多的欧洲人开始研究电。 虽然说不上是最亮眼，但也非常有影响力的的一位研究者，是德国术士，名叫马提亚·博士， 他严谨的学习了杜费的论文，并结合一台由毫克斯比建造的静电起电机，设计了最为戏剧性的电子实验，更新了全世界的认识。 他实际上在欧洲掀起了一场电子潮流。这其中的故事我们下一次再讲。

▲ 图1.2.8 乔治·马提亚斯·博士在进行电学实验

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■ 相关文献链接:

• How Gold Led to the (1/2 Correct) First Laws of Electricity: How Static Electricity Works
• 闪电的驯服者：电学的历史
• 金箔静电实验带来的静电定律

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 查尔斯·弗朗索瓦·德·希斯特尔耐·杜费
• 图1.2.2 琥珀摩擦生电
• 图1.2.3 摩擦后的金属锅可以带有静电
• 图1.2.4 居里克的硫黄球
• 图1.2.5 静电场中的金属跳跃
• 图1.2.6 羽毛在两个绝缘棒上来回移动
• 图1.2.7 利用金箔组成的验电器
• 图1.2.8 乔治·马提亚斯·博士在进行电学实验