庫侖和庫侖定律

一步一腳印  凡走過的 必留下痕跡


說到電學,最容易第一個想到的人物就是庫侖先生和他所提出的庫侖定律,F = kQ1Q2 / r2這個式子。

庫侖(C.A.Coulomb,1736~1806) 是法國人,他在1785年發表庫侖定律。

『庫侖定律』並不是庫侖最早想到的。那是誰?那為什麼要用庫侖來命名?庫侖對 『庫侖定律』的貢獻是什麼?

除了庫侖定律之外,你一定還會想到『同性相斥異性相吸』這八個字。

到這裡,你的腦袋裡就應該會浮現出一些問題來了,例如:

然,你應該還會想到其它問題,先把它寫下來喔!

從教科書中,顯然並不容易找到我們要的答案。

先從記憶中搜尋好了,有哪些和電磁學有關的科學家是出生在庫侖之前的?發明電燈的愛迪生、放風箏的富蘭克林、安培、歐姆伏特…….,電磁學裡的單位都是用人名來表示的,因此你應該可以想到一大堆,但是,誰先誰後?這恐怕要查查資料囉!好吧,我們找幾本科學史方面的書來看看能不能找尋我們要的答案。

首先,我們要先認識這一位號稱『電磁學之父』的科學家,他叫吉爾伯特(W.Gilbert,1544~1603),是當時英國女王伊麗莎白一世的御醫。在電學方面,他發現琥珀經過摩擦後能吸引小物體,而且像金鋼石、水晶、玻璃、松香等等物質也都有類似的『琥珀力』,於是他根據希臘文的『琥珀』一詞創造了『電』這個名稱。在磁方面,他根據小磁針在圓形磁石附近的行為得到地球是個巨大磁石的結論。從這二方面看來,當選『電磁學之父』應該是當之無愧啦!

從吉爾伯特到庫侖,將近二世紀,有很多科學家對電磁的特性作了很多的研究及實驗,最有名的是英國的格雷(S.Gray,1670~1736)和美國的富蘭克林(B.Franklin,1706~1790) 。格雷先生作了一系列電學實驗,他甚至用人體來作實驗喔!當時的人們認為摩擦產生的電和天上的雷電是不同的,美國的富蘭克林為了搞清楚雷電的性質,在1752年一個風雨交加的日子放風箏,把天上雷公發出的電蒐集到一個小瓶子裡,這個瓶子叫做萊頓瓶,就是最早的電容器。當然,很多人認為富蘭克林是冒犯天威,但是他終於還是在一年後發明了避雷針,制服了天神雷公。不只如此,誰的電是正的,誰的是負的都是他規定的,沿用至今。

『庫侖定律』並不是庫侖最早想到的,侖最關鍵的貢獻是作實驗證實了電荷之間的平方反比律。在庫侖之前,就有不少人猜測電力應該和萬有引力一樣是平方反比的形式,但是沒能拿出具體的實驗證明。換句話說,庫侖的偉大,在於他實驗的方法及技術。那這個平方反比的概念是誰先提出來的呢?

最早提出電荷間力的作用關係的科學家是普利斯特利(Joseph Priestley,1733~1804),他就是鼎鼎有名的氧氣發現者,也是富蘭克林的好朋友。1766年,富蘭克林寫一封信給普利斯特利,和他討論一個電學實驗中的現象,普利斯特利在重複這個實驗時,想到牛頓先生在書上說過的『球殼殼層定理』(註1) , 他就大膽推測,電荷之間的作用力和萬有引力一樣都遵守平方反比的關係。

四年之後,英國物理學家卡文迪西(Cavendish,1731~1810)做了一個實驗,間接的證明了電荷間的定律遵守平方反比定律。這個實驗比起普利斯特利的推理更前進了一大步,但終究只能算是一個間接的證明。真正直接用實驗來證明的,就是庫侖(C.A.Coulomb,1736~1806) 。

庫侖是法國的一位軍官,原來是從事摩擦力和扭轉方面的實驗研究(註2),力學中摩擦力和正壓力成正比的關係就是他最早提出來的,嘿嘿,沒想到吧!由於他的這些研究,1781年當選法國科學院的院士。後來他轉而研究電學,利用他發明的扭力計來測量二個電荷之間的力,1785年證實了電荷間平方反比的關係,還發現力的大小和二電荷的乘積成正比。同年,發表第二篇論文,他又提出磁的平方反比力的定律(註3)

庫倫在電學上的成就,讓他在法國享有崇高的聲望。在法國大革命爆發(1879年)後不久,他被徵召進入科學委員會,制訂新的度量衡,1791年3月,該會採經度測量為長度度量標準,訂北極到赤道子午線長度的千萬分之一為 1米


因為扭力計的發明,給英國科學家卡文迪西(Cavendish,1731~1810)很好的啟示,解決了困擾他幾十年的問題,終於在1798年實驗成功把地球的質量給量出來了。(故事內容

對於庫侖的平方反比律,科學家們問了一個你一定想不到的問題。他們問,為什麼是『平方』?難道不能是2.001次方?或是2.00001?或是1.9999?一定剛剛好是 2 嗎?(故事內容


註1:

富蘭克林所做的實驗發現,將電荷置於導電的空腔導體中,不受到電力的作用,但如果放在空腔外部就會受到電力的作用。這和牛頓提出的殼層定理很類似,質點如果是在球殼內,受到球殼的萬有引力為零,但若在球殼外,則可以將球殼視為質量集中在球心。普利斯特利在1767年發表的著作中將空腔帶電導體內任意電荷所受的電力為零這一結果,與空腔內任意質點所受萬有引力為零相對比,提出電荷間的電力也應遵守平方反比定律。(詳細內容請見物理發展史上的里程碑一書p139 及 物理通史一書p156)

註2:

註3:

最早提出磁極間的作用力定律的是米歇爾(John Michell,1724~1793)。米歇爾與卡文迪西(Cavendish,1731~1810)一起從事測量萬有引力常數的實驗。他是第一個發明扭秤的人。1750年,米歇爾在《論人工磁體》一書中提出磁極間的吸引力或排斥力,和磁極間的距離平方成反比。這是一個重大發現,庫侖在1785年的論文中,實驗證實了米歇爾所提的平方反比定律。


【相關人物】

吉爾伯特(W.Gilbert,1544~1603)

格雷(S.Gray,1670~1736)

富蘭克林(B.Franklin,1706~1790)

米歇爾(John Michell,1724~1793)

卡文迪西(Cavendish,1731~1810)

普利斯特利(Joseph Priestley,1733~1804)

庫侖(C.A.Coulomb,1736~1806)


【參考資料】

  1. 沈慧君、郭奕玲編著:物理發展史上的里程碑,凡異出版社,p138~148 (電磁學定量研究的開始)
  2. 郭奕玲、沈慧君編著:物理通史,凡異出版社,p156~160 (庫侖定律的發現與萬有引力的啟示)
  3. 沈慧君、郭奕玲編著:經典物理發展中的著名實驗,凡異出版社,p31~40 (庫侖的扭秤實驗和摩擦實驗)
  4. 徐在新、宓子宏著:從法拉第到麥克斯韋,凡異出版社。 

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最近更新時間: 02/22/2013 10:53 AM

邱韻如