經典靜電學史與現代靜電技術
本文是作者發表在中國百種核心期刊<<物理>>1997年第1期上的論文主要內容
1、古代人類對靜電的認識
靜電學是電學中最古老的學科，現在靜電應用技術和靜電防護技術已越來越受到人們的重視。而對經典靜電學作一較為詳細的回顧也是很有意義的。本文綜述了對經典靜電學的發展和其在物理學中所起的作用。概括了16世紀到19世紀科學家對靜電現象和靜電規律的研究及本世紀靜電技術的發展概況。
2500年前左右, 古希臘哲學家塔勒斯(Thales,640-546 B.C.)在研究天然磁石的磁性時發現用絲綢、法蘭絨摩擦琥珀(Amber)之後也有類似於磁石能吸引輕小物體的性質。所以，塔勒斯成為有歷史記載的第一個靜電實驗者。電這個詞起源於希臘語ελεκτρον(琥珀)。
西元三世紀,晉朝張華的《博物志》中也有記載：“今人梳頭，解著衣，有隨梳解結，有光者，亦有吒聲”這裏記載頭髮因摩擦起電發出的閃光和劈啪之聲。
但直到16世紀，除了偶爾發現埃爾摩(Elmo)火外, 對靜電別無其他記載。埃爾摩火是發生在船桅杆上或其附近的發光現象。在航行于地中海上的水手中間長久流傳著一個“神火”的故事，他們在暴雨將來臨的危急時刻，多次地發現在桅杆尖上有一種不祥的火光，開始時水手們把它看做末日的來臨。但當他們多次平安脫險後，這火光反而變成了安慰的源泉。水手們把它命名為聖.埃爾摩火，用來象徵他們所信仰的聖徒埃爾摩的保護。
電學之父Willian Glbert(英國人，1540-1603)重複了塔勒斯的實驗。他想為什麼琥珀這個用於裝飾用的東西摩擦之後會有吸引輕小物體的性質，是否其他的珠寶也有類似的性質呢？他用其他的珠寶作實驗，結果發現鑽石、蛋白石和藍寶石摩擦之後也有象琥珀樣吸引其他輕小物體的性質。他後來還發現其他物體也有類似的性質，如紫晶、玻璃、黑色大理石、硫磺、臘等。他注意到這些物質經摩擦之後雖然能吸引東面，但不像磁石樣具有指南北方向的性質，他把這些用摩擦能帶電的物質叫為“摩擦起電物體（Electrics）”。而把摩擦不能帶電的物體叫“非摩擦起電物體（no-electrics）”。
為了進一步研究這些物體的吸引能力, Gilbert還發明了第一個驗電器(versorium)用來檢驗帶電物體。這是一個中心可以轉動的很輕的木材或金屬做成的細針，當摩擦過的琥珀靠近時，細針可以轉動。他還發現在天氣乾燥的時候這些物體容易產生吸引力。Gilbert被稱為是電學之父。不久，Otto Von Guericke (1602-1686, 德國人)發現電的排斥現象。如果把帶電棒接近金屬屑時，它們開始吸引，然後排斥。
1678年Guericke製造了第一個摩擦靜電起電機。他把硫磺粉碎熔化後灌入一個直徑為六英寸的空玻璃球內, 在其中間插入一條木棒作為軸, 硫磺冷卻後，把玻璃球破碎,做成一個硫磺球。 當球迅速轉動並用布或直接用手摩擦硫磺球時能產生很大的火花。1709年英國科學家（Francis Hauksbee，1666-1712)做了一個類似於Guericke的靜電發生器, 用一個大輪帶動一個小輪使得球轉得更快, 他計算球的線速度達到29英尺/秒, 當用毛皮摩擦球時, 強烈的放電會使球發出綠光。當他把臉貼近帶電球時他覺得有一股微風吹來。這種摩擦靜電起電機經過不斷改進，後來在靜電實驗中起過重要的作用，直到十九世紀 W. Holtztr和A.Topler分別發明感應起電機後才被取代。 他還發明了第一個靜電計(Electroscope)。把彎曲的稻草掛在絕緣的金屬棒的一端, 他發現當帶電體接近時稻草會時排斥而張開。他的另一個重大發現是：當把兩個相距1英寸的球放在一起, 而摩擦其中之一時, 兩球都發光,這一現象在當時他不瞭解, 實際上這就是靜電感應現象。
Stephen Gray (1666-1736，英國人), 在1720年發現絲綢, 幹木材, 毛髮經摩擦也能起電。他在研究琥珀吸引特性的傳遞時發現了導體和非導體的區別。他摩擦一根約一米長的空玻璃管, 為了保持玻璃管內乾淨, 他把一塞子塞入玻璃管的一端, 當他摩擦玻璃管時, 他發現塞子也能吸引輕小物體。他認為這種吸引力可以傳遞。從此, 他繼續以實驗來試驗電的這種傳遞能力。他把一個直經約一英寸的象牙球鑽一小孔, 然後插入一小木棒, 小木棒的另一端插到玻璃管的塞子上, 他發現摩擦玻璃管時，這球也具有同樣的吸引力。他用了一根十八英尺長的釣魚杆代替小木棒, 而且實驗成功了。後來他試驗了線, 他發現連到玻璃管塞子上的線也能傳遞這種性質, 然後他把一條三英尺長的大麻繩連到塞子上, 這象牙球仍然吸引。為了更進一步試驗這種性質,他站到房項上去, 發現即使站到34英尺高,象牙仍能吸引羽毛。他又發現濕線比幹線傳遞得更遠。由於在他的附近沒有更高的懸崖或建築物, 他想從水準方向延長這線。他把線掛在一房屋的橫樑, 這時吸引力不再傳遞了,他認為電跑到橫樑中去了。Gray的好友Granvile Whelter建議用絲綢線作懸掛線, 因為絲線會阻止電的損失, 在採用了Whelter的建議之後, Gray把線增長到100米,但絲線再也承受不了如此的負荷。這時他又把絲線換為金屬線以增加其強度, 可是他又發現實驗不靈了，最後他又換用更粗的絲線,實驗又行了，見圖6。從這些實驗中, Gray認為某些材料如鐵、銅是導體，而另一些材料如絲綢是絕緣體。
Charles Du Fay (1698-1739, 法國人)1733年重複了Gray的許多實驗之後發現絕緣起來的金屬也可以摩擦起電。他認為任何物質只要絕緣起來之後都可帶電, 從而認為Gilbert把物體分為“摩擦起電物體”和“非摩擦起電物體”是不對的。他用金箔做實驗, 發現用摩擦帶電的玻璃棒使金箔帶電之後會排斥另一個帶同種電的金箔,又會吸引用摩擦帶電的硬樹脂使之帶電的金箔, 他認為有兩種電, 一種是Vireous Electricity“玻璃電”(現在我們叫正電), 另一種是Resinous Electricity“樹脂電”(現在稱之為負電)。他想到:帶相同電的物體互相排斥, 帶不同電的物體彼此吸引。但他沒有給這兩種電定義正負極性。
佛蘭克林（Benjamin Franklin ，1706-1790）做了許多實驗後認為有兩種電荷存在, 即正電荷和負電荷。他的一個有名的實驗是兩個人站在用臘做成的平臺上, 第三個人站在地面上, 用布摩擦玻璃棒後使站在絕緣臺上的一個人帶上玻璃棒的電,另一個站在絕緣臺上的人帶上布的電, 若這兩個人的手指接觸時會感到電擊。若他們兩個人的任何一個與站在地面上的人接觸後再用手指互相接觸, 電擊就弱些。1747年,他認為摩擦後的玻璃棒帶正電, 而樹脂帶的電為負電。雖然這是很了不起的一步, 以後科學有可能將佛蘭克林的這種選擇顛倒過來。如果真是這樣的話, 電子就可能定義為帶正電而不是負電的了,當然正電流的方向就是電子運動的方向而不是其運動的反方向了。佛蘭克林認為靜電的產生不是由於摩擦了“摩擦起電物質”引起的, 而是由於“電流體”(Electric fluid)的轉移,雖然這概念不完全正確,但是實際過程卻與後來的發現基本相符合。
Ewald (1700-1746, 德國人) 於1745年把玻璃瓶灌入半瓶水,上面塞上塞子, 然後從塞子中穿入一釘子直到釘子恰好觸及水面, 然後他把釘子的一頭連到靜電起電機上, 使電能通過釘子傳到水裏。他發現這瓶能貯電, 貯存到一定程度之後它能吸引小物體或產生火花, 他後來把水換成其他的液體如水銀、酒精後，能產生更大的火花。這種能貯電的瓶就是第一個電容器。萊頓大學教授Pieter von Musschenbroek (1672-1761,荷蘭人)重複了Ewald的實驗後, 他把瓶的內外用金屬箔襯托, 從瓶口的塞子中插入金屬線直到它觸及瓶內的金屬箔而發明了萊頓瓶(Leyden Jar)。
萊頓瓶的發明為電的進一步研究提供了條件, 它對於電學知識的傳播起了重要作用。Jeau Antoine Nollet(法國人)曾做了一個當時最為壯觀的演示實驗,他在巴黎大教堂, 在路易十五皇室成員面前, 令七百個修道士手拉手地排成一條九百英尺長的隊伍, 一端的人接觸帶電萊頓瓶的外部, 當另一端的人接觸萊頓瓶的另一端時, 七百個修道士全部因電擊而跳起來。萊頓瓶的發明為佛蘭克林的重要發現提供了新的工具。佛蘭克林在萊頓瓶的內外壁分別連一導線, 把導線分開一定的距離後放在桌子上, 用絲綢線懸掛一塞子, 使它在這兩導線之間來回擺動分別觸及這兩導線, 直到萊頓瓶不帶電為止, 這證明了萊頓瓶內外壁有正負電荷存在。
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