静电学史与现代静电技术

静电学史与现代静电技术静电学是电学中最古老的学科，现在静电应用技术和静电防护技术已越来越受到人们的重视。而对经典静电学作一较为详细的回顾也是很有意义的。本文综述了对经典静电学的发展和其在物理学中所起的作用。概括了16世纪到19世纪科学家对静电现象和静电规律的研究及本世纪静电技术的发展概况。1、古代人类对静电的认识2500年前左右,古希腊哲学家塔勒斯(Thales,640-546B.C.)在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀(Amber)之后也有类似于磁石能吸引轻小物体的性质。所以，塔勒斯成为有历史记载的第一个静电实验者。电这个词起源于希腊语ελεκτρον(琥珀)。公元三世纪,晋朝张华的《博物志》中也有记载：“今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有咤声”这里记载头发因摩擦起电发出的闪光和噼啪之声。但直到16世纪，除了偶尔发现埃尔摩(Elmo)火外,对静电别无其它记载。埃尔摩火是发生在船桅杆上或其附近的发光现象。在航行于地中海上的水手中间长久流传着一个“神火”的故事，他们在暴雨将来临的危急时刻，多次地发现在桅杆尖上有一种不祥的火光，开始时水手们把它看做末日的来临。但当他们多次平安脱险后，这火光反而变成了安慰的源泉。水手们把它命名为圣.埃尔摩火，用来象征他们所信仰的圣徒埃尔摩的保护。2、经典静电学基础理论的建立电学之父WillianGlbert(英国人，1540-1603)重复了塔勒斯的实验。他想为什么琥珀这个用于装饰用的东西摩擦之后会有吸引轻小物体的性质，是否其它的珠宝也有类似的性质呢？他用其它的珠宝作实验，结果发现钻石、蛋白石和蓝宝石摩擦之后也有象琥珀样吸引其它轻小物体的性质。他后来还发现其它物体也有类似的性质，如紫晶、玻璃、黑色大理石、硫磺、腊等。他注意到这些物质经摩擦之后虽然能吸引东面，但不像磁石样具有指南北方向的性质，他把这些用摩擦能带电的物质叫为“摩擦起电物体（Electrics）”。而把摩擦不能带电的物体叫“非摩擦起电物体（no-electrics）”。为了进一步研究这些物体的吸引能力,Gilbert还发明了第一个验电器(versorium)用来检验带电物体。这是一个中心可以转动的很轻的木材或金属做成的细针，当摩擦过的琥珀靠近时，细针可以转动。他还发现在天气干燥的时候这些物体容易产生吸引力。Gilbert被称为是电学之父。不久，OttoVonGuericke(1602-1686,德国人)发现电的排斥现象。如果把带电棒接近金属屑时，它们开始吸引，然后排斥。1678年Guericke制造了第一个摩擦静电起电机。他把硫磺粉碎熔化后灌入一个直径为六英寸的空玻璃球内,在其中间插入一条木棒作为轴,硫磺冷却后，把玻璃球破碎,做成一个硫磺球。当球迅速转动并用布或直接用手摩擦硫磺球时能产生很大的火花。1709年英国科学家（FrancisHauksbee，1666-1712)做了一个类似于Guericke的静电发生器,用一个大轮带动一个小轮使得球转得更快,他计算球的线速度达到29英尺/秒,当用毛皮摩擦球时,强烈的放电会使球发出绿光。当他把脸贴近带电球时他觉得有一股微风吹来。这种摩擦静电起电机经过不断改进，后来在静电实验中起过重要的作用，直到十九世纪W.Holtztr和A.Topler分别发明感应起电机后才被取代。他还发明了第一个静电计(Electroscope)。把弯曲的稻草挂在绝缘的金属棒的一端,他发现当带电体接近时稻草会时排斥而张开。他的另一个重大发现是：当把两个相距1英寸的球放在一起,而摩擦其中之一时,两球都发光,这一现象在当时他不了解,实际上这就是静电感应现象。StephenGray(1666-1736，英国人),在1720年发现丝绸,干木材,毛发经摩擦也能起电。他在研究琥珀吸引特性的传递时发现了导体和非导体的区别。他摩擦一根约一米长的空玻璃管,为了保持玻璃管内干净,他把一塞子塞入玻璃管的一端,当他摩擦玻璃管时,他发现塞子也能吸引轻小物体。他认为这种吸引力可以传递。从此,他继续以实验来试验电的这种传递能力。他把一个直经约一英寸的象牙球钻一小孔,然后插入一小木棒,小木棒的另一端插到玻璃管的塞子上,他发现摩擦玻璃管时，这球也具有同样的吸引力。他用了一根十八英尺长的钓鱼杆代替小木棒,而且实验成功了。后来他试验了线,他发现连到玻璃管塞子上的线也能传递这种性质,然后他把一条三英尺长的大麻绳连到塞子上,这象牙球仍然吸引。为了更进一步试验这种性质,他站到房项上去,发现即使站到34英尺高,象牙仍能吸引羽毛。他又发现湿线比干线传递得更远。由于在他的附近没有更高的悬崖或建筑物,他想从水平方向延长这线。他把线挂在一房屋的横梁,这时吸引力不再传递了,他认为电跑到横梁中去了。Gray的好友GranvileWhelter建议用丝绸线作悬挂线,因为丝线会阻止电的损失,在采用了Whelter的建议之后,Gray把线增长到100米,但丝线再也承受不了如此的负荷。这时他又把丝线换为金属线以增加其强度,可是他又发现实验不灵了，最后他又换用更粗的丝线,实验又行了，见图6。从这些实验中,Gray认为某些材料如铁、铜是导体，而另一些材料如丝绸是绝缘体。CharlesDuFay(1698-1739,法国人)1733年重复了Gray的许多实验之后发现绝缘起来的金属也可以摩擦起电。他认为任何物质只要绝缘起来之后都可带电,从而认为Gilbert把物体分为“摩擦起电物体”和“非摩擦起电物体”是不对的。他用金箔做实验,发现用摩擦带电的玻璃棒使金箔带电之后会排斥另一个带同种电的金箔,又会吸引用摩擦带电的硬树脂使之带电的金箔,他认为有两种电,一种是VireousElectricity“玻璃电”(现在我们叫正电),另一种是ResinousElectricity“树脂电”(现在称之为负电)。他想到:带相同电的物体互相排斥,带不同电的物体彼此吸引。但他没有给这两种电定义正负极性。富兰克林（BenjaminFranklin，1706-1790）做了许多实验后认为有两种电荷存在,即正电荷和负电荷。他的一个有名的实验是两个人站在用腊做成的平台上,第三个人站在地面上,用布摩擦玻璃棒后使站在绝缘台上的一个人带上玻璃棒的电,另一个站在绝缘台上的人带上布的电,若这两个人的手指接触时会感到电击。若他们两个人的任何一个与站在地面上的人接触后再用手指互相接触,电击就弱些。1747年,他认为摩擦后的玻璃棒带正电,而树脂带的电为负电。虽然这是很了不起的一步,以后科学有可能将富兰克林的这种选择颠倒过来。如果真是这样的话,电子就可能定义为带正电而不是负电的了,当然正电流的方向就是电子运动的方向而不是其运动的反方向了。富兰克林认为静电的产生不是由于摩擦了“摩擦起电物质”引起的,而是由于“电流体”(Electricfluid)的转移,虽然这概念不完全正确,但是实际过程却与后来的发现基本相符合。Ewald(1700-1746,德国人)于1745年把玻璃瓶灌入半瓶水,上面塞上塞子,然后从塞子中穿入一钉子直到钉子恰好触及水面,然后他把钉子的一头连到静电起电机上,使电能通过钉子传到水里。他发现这瓶能贮电,贮存到一定程度之后它能吸引小物体或产生火花,他后来把水换成其它的液体如水银、酒精后，能产生更大的火花。这种能贮电的瓶就是第一个电容器。莱顿大学教授PietervonMusschenbroek(1672-1761,荷兰人)重复了Ewald的实验后,他把瓶的内外用金属箔衬托,从瓶口的塞子中插入金属线直到它触及瓶内的金属箔而发明了莱顿瓶(LeydenJar)。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件,它对于电学知识的传播起了重要作用。JeauAntoineNollet(法国人)曾做了一个当时最为壮观的演示实验,他在巴黎大教堂,在路易十五皇室成员面前,令七百个修道士手拉手地排成一条九百英尺长的队伍,一端的人接触带电莱顿瓶的外部,当另一端的人接触莱顿瓶的另一端时,七百个修道士全部因电击而跳起来。莱顿瓶的发明为富兰克林的重要发现提供了新的工具。富兰克林在莱顿瓶的内外壁分别连一导线,把导线分开一定的距离后放在桌子上,用丝绸线悬挂一塞子,使它在这两导线之间来回摆动分别触及这两导线,直到莱顿瓶不带电为止,这证明了莱顿瓶内外壁有正负电荷存在。富兰克林发现尖端是最易“吸引”电。他在房顶上竖立一根尖杆来试验空气和云的带电极性和特征。他能利用尖杆和莱顿瓶收集电荷。他的这个实验使他得到了一个偶然的收获,他发现了尖杆接地后能防止雷击。他还做了有名的风筝实验。有人会认为他在雷雨天气放风筝是很愚蠢的,而事实上是他在1752年的一天做实验时雷雨正要来临。他在风筝上固定一根金属线,以便从雷云中获取更多的电,雨淋湿了连结风筝的细线,而这细线的一端连在莱顿瓶的一端,当雷雨来临时,莱顿瓶上不断产生火花。他知道这种实验的危险性,并采取了合适的安全措施。他用丝绸线连结到放风筝的细线上,用手拿着丝绸线而不是放风筝的线,并把莱顿瓶接在连接丝绸线的前端,人必须站在室内使得丝绸线不被淋湿。可是一德国科学家GerogWilhehRichman(1711-1753)在做类似的实验时被电死,他的助手也被电晕。JohnClanton(1718-1772)受富兰克林研究工作的启发,在1753年发现了带电体会使接近它的金属体的电荷迁移。即未带电的导体接近带电体时,靠近带电体这端带的电荷与带电体的电荷的极性相反，而另一端带的电荷与带电体的电荷的极性相同。1775年伏特（AlessandroVolta，1745-1827，意大利物理学家）发明了静电感应起电盘,他利用静电感应起电盘能使导体产生很高电压的静电。法拉第（MichaelFaraday，1791-1867,英国人）是位伟大的实验科学家之一。他的研究覆盖了许多领域如化学、物理和电学。他引入了带电体周围电力线的概念。他的一个很有趣的实验是法拉第笼实验。他坐在金属笼内,当笼外发生强大的静电放电时,他并未感到任何电击并且验电器也无任何显示。他的另一个重要实验是法拉第桶(Faradayice-pail)实验，当一带电体接触金属桶的内壁时,电荷会转移到桶的外表面,这种现象的发生与桶外是否存在电荷无关。最早提出电力平方反比定律的是普利斯特利（Priestley,1737-1804,英国人）。普利斯特利的友好富兰克林曾观察到放在金属杯中的软木小球完全不受金属杯上电荷的影响,他把这现象告诉了普利斯特利,希望他重做此实验。1766年,普利斯特利做了富兰克林提出的实验,他使空腔金属容器带电,发现其内表面没有电荷,而且金属容器对放于其内部的电荷明显地没有作用力。他立刻想到这一现象与万有引力的情况非常相似。因此他猜想电力与万有引力有相同的规律,即两个电荷间的作用力应与他们之间距离的平方成反比。在1767年普利斯特利写了一本《电的历史和现状》。1769年,爱丁堡的JohnRobison首先用直接测量方法确定电力的定律,他得到两个同号电荷的排斥力与其距离的2.06次方成反比。他推断正确的电力定律是平方反比律,他的研究结果是多年之后(1801年)发表才为人所知。1772年英国物理学家Cavendish遵循普利斯特利的思想以实验验证了电力平方反比定律。他将一个金属球形容器固定在一绝缘支柱上。用玻璃棒将两个金属半球固定在铰链于同一轴的两个木制框架,使这两个半球构成与球形容器同心的绝缘导体球壳。用一根短导线连接球形容器和两个半球,利用一根系于短导线上的丝线来移动导线。Cavendish先用短导线使球形容器与两半球相连。用莱顿瓶使两半球带电,莱顿瓶的电位可事先测定,随后通过丝线将短导线抽去。再将两半球移开,并使之放电。然后用当时最准确的木髓球静电计检测球形容器上的带电状态。静电计并未检测到球形容器上有任何带电的迹象。他用实验和计算的方法得出电力与距离成反比的方次与2的差值不大于0.02。Cavendish的实验得出的定量结果与十三年后(1785年)库仑（CharleAugustinedeCoulomb，1736-1806）用扭秤直接测量所得的结果的准确度