【物理史中的六月】1785年6月:庫侖(Charles Augustin Coulomb)測量電力

1785 年 6 月:庫侖(Charles Augustin Coulomb)測量電力

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2016 年 6 月,Richard Williams 撰文)

西元前 600 年左右,希臘哲學家泰勒斯(Thales)寫說,當他用毛皮搓揉琥珀玉塊時,琥珀會吸住小片的稻草以及其他小物體。當科學家開始研究此現象時,他們已經有了現成的名字,這都要感謝泰勒斯:「electricity」源自琥珀的希臘字「elektron」。在研究此力量時,有人觀察到帶電荷的物體有時會互相吸引,有時互相排斥。二十三個世紀之後,富蘭克林把此效應歸因於存在有兩種電流體,一是正電,另一是負電。

近代對電力的物理說明有許多都來自法國科學家庫侖(Charles Augustin Coulomb,1736-1806)所做細心的實驗。庫侖的雙親來自法國南部蒙佩利爾(Momtpellier)〔1附近的富裕人家,當庫侖父親開始到巴黎上班,他們就舉家遷到那裡。庫侖在美吉厄赫(Mezieres)工程學院獲得學位,之後在工兵部隊任尉官。

因為庫侖是位訓練有素的軍隊工程師,所以他在法國接受了幾個任務。1764 年,他到馬提尼克(Martinique)監督要塞的建造一直到1772年,之後才因健康因素回到法國。庫侖的健康受到馬提尼克熱帶疾病的傷害,困擾著他後半輩子。他回法國後,注意力也跟著轉變,從之前參與許多工程的計劃,轉而開始研究純物理。

庫侖開始對測量小的帶電物體間的電力感興趣,他大幅改進扭秤的精密性,使它可以可靠地測量這些很小的電力2。庫侖在銀、銅或絲的細線懸掛一根針,針的一端是一個充電的小木髓球,另一端是一個砝碼,兩端平衡讓針可以水平地轉動。校正過的扭秤用來測量針旋轉一定角度所需的力。

庫侖將一個帶相同電荷的木髓球靠近針上一端帶電的球,測出兩個帶電球的相斥力量來決定出它們與分開距離之間的函數關係。他用這些實驗開始對電力進行定量研究。庫倫寫說:「兩個帶相同電荷小球的相斥力量和兩小球中心距離的平方成反比。」2

當兩個木髓球帶相反電荷時,上述的實驗做起來並不理想。假如兩個球靠太近時,它們就會跳近而黏住,結束實驗。雖很困難,但他還是測出這種情形中力量和分開距離之間的關係,不過他決定使用完全不同的方法來確認這個結果3。庫倫在懸掛針的一端掛著一個小盤子,將之充電,再將相反的電荷放在直徑大約1呎的銅或鍍上金屬的硬紙板的中空球體的表面。

庫侖(左)使用校正過的扭秤(右)測量帶電物體間的作用力。Photo: Wikimedia Commons

庫侖認為大球體的電性就如同其上的電荷都集中在它的球心點上,讓針在水平面上小弧度振盪,振盪的週期端賴帶電球體和針上的帶電盤子之間的力量決定,正如一般簡單鐘擺的週期依重力而定一樣。庫侖然後測量和大球體不同距離的振盪週期,再使用類似鐘擺的方程式,將週期和電荷間的力量做聯結。

結果得到了庫侖定律3。「我們得此結果所使用的方法和最先的方法完全不同…得到的結論是,叫做『正電』流體和叫做『負電』流體之間的引力是和距離的平方成反比。」庫侖進一步證明,對於帶電荷的金屬物體或其他的導電體,無論物體的形狀為何,所有的電荷都停留在物體表面4

庫侖定律構成了大部分原子物理的基礎。電子帶有電荷 e,原子序為 的原子核帶有電荷 Ze之間的距離為 r,則兩者間的引力為 F ﹦Ze 2/r 2。拉塞福(Ernest Rutherford)利用此方程式研究 α 粒子的散射,說明原子核的直徑比原子的直徑呈數量級地減少,換句話說,原子核實際上是一個質點。之後,波耳(Niels Bohr)使用此結果當做他氫原子線光譜的理論起點。

法國大革命改變了庫侖的職業生涯,他在法國科學院的職位隨著科學院的關閉而結束。庫侖對度量衡委員會的貢獻以及供水系統的監督在革命期間中止了,但後來有幾年他還能恢復部分的工作。1806 年 6 月,一場高燒於 8 月奪走了他的性命〔1,然而,庫侖的名字卻在物理上永垂不朽。現在,「庫侖」是電荷的單位,而拉塞福所觀察到的散射稱為庫侖散射。

 

Further Reading

  1. C. Stewart Gillmor,Coulomb and the Evolution of Physics and Engineering in Eighteenth Century France(Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1971).
  2. C. A. Coulomb,Premiere Memoire sur l’electricite et le Magnetisme, Histoire de l’Academie Royale des Sciences, 569-577 (1785). An English translation of this article is available by searching on “Bucciarrelli translation of Coulomb’s first memoir” with either Google Search or Bing.
  3. C. A. Coulomb,Seconde Memoire sur l’electricite et le Magnetisme,Histoire de l’Academie Royale des Sciences, 578-611 (1785).
  4. C. A. Coulomb,Quatrieme Memoire sur l’electricite et le Magnetisme, Histoire de l’Academie Royale des Sciences, 67-77 (1785).

 

加入好友

人瀏覽過