電學(xué)基本規(guī)律的總結(jié)電學(xué)的第三個(gè)基本原理靜電感應(yīng)

電學(xué)基本規(guī)律的總結(jié)·電學(xué)的第三個(gè)基本原理——靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)原理是英國(guó)自然哲學(xué)家康頓最早提出的．這個(gè)原理是指，如果把一塊導(dǎo)體帶進(jìn)一個(gè)帶電體的影響范圍之內(nèi)，無(wú)需接觸帶電體，在導(dǎo)體的遠(yuǎn)端就會(huì)出現(xiàn)與荷電體上電荷相同的電，而在導(dǎo)體近端出現(xiàn)的電荷與荷電體上的電荷性質(zhì)相反．我們用一組實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明靜電感應(yīng)原理：①把一根金屬棒放在一塊玻璃底板上，棒的兩端用金屬線連接在驗(yàn)電器上．另外，我們還要有一根硬橡皮棒和一塊絨布(圖1－6)．實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下：先察看一下驗(yàn)電器上的兩塊金箔是否合在一起，因?yàn)檫@是它們的正常位置．萬(wàn)一它們沒(méi)有合攏，那么用手指接觸一下金屬棒，讓它們合攏起來(lái)．做了這些初步工作以后，用絨布用力摩擦橡皮棒，再使它接觸金屬棒，兩片金箔就立刻分開(kāi)，甚至在橡皮棒移開(kāi)以后，它們還是分開(kāi)的．②我們?cè)僮鲆粋€(gè)實(shí)驗(yàn)．它所用的器具和以前的一樣，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)金箔仍然要合在一起．這次我們不使橡皮棒接觸金屬棒，而只放在金屬棒附近．驗(yàn)電器的金箔又重新分開(kāi)．但是這次的分開(kāi)有點(diǎn)不同了．當(dāng)橡皮棒(它完全沒(méi)有接觸金屬)移開(kāi)后，金箔不繼續(xù)分開(kāi)，而是立即合攏，恢復(fù)到原來(lái)的位置(圖1－7)．③我們把器具稍微改變一下，來(lái)做第三個(gè)實(shí)驗(yàn)．假定金屬棒是由兩節(jié)連接起來(lái)的．我們用絨布把橡皮棒摩擦過(guò)以后，再把它接近金屬棒．同樣的現(xiàn)象又產(chǎn)生了——金箔分開(kāi)了．但是現(xiàn)在先把金屬棒的兩節(jié)分開(kāi)，然后才把橡皮棒移開(kāi)．我們發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)情況中金箔仍然分開(kāi)，而不像在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中那樣恢復(fù)原來(lái)的位置．用靜電感應(yīng)和電荷中和的原理很容易解釋以上的實(shí)驗(yàn)．我們?cè)侔训诙€(gè)實(shí)驗(yàn)做一點(diǎn)改變．假使當(dāng)我們把橡皮棒放在金屬棒旁邊，同時(shí)又用自己的手指接觸金屬棒．現(xiàn)在會(huì)發(fā)生什么呢？請(qǐng)讀者自己思考吧！范德格拉夫靜電起電機(jī)(圖1－9)是利用靜電感應(yīng)和尖端放電現(xiàn)象使導(dǎo)體獲得極高電勢(shì)的一種裝置．圖中A為一金屬球殼，它固定在絕緣支柱B上，C是用絕緣材料(例如橡膠布)制成的傳送帶，它套在兩個(gè)滑輪D和D′上．滑輪D由電動(dòng)機(jī)M帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，因而傳送帶循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)．圖中E和F是兩排金屬針，當(dāng)E和幾萬(wàn)伏的直流高壓電源H的正極接通時(shí)，由于尖端處電場(chǎng)特別強(qiáng)，發(fā)生尖端放電現(xiàn)象，使靠近E的傳送帶帶上正電，圖中G是接地金屬板，它的作用是加強(qiáng)E向傳送帶的噴電．當(dāng)傳送帶上的正電荷被運(yùn)送到F附近時(shí)，F(xiàn)由于靜電感應(yīng)帶負(fù)電．同樣，由于尖端附近電場(chǎng)特別強(qiáng)而發(fā)生尖端放電，這樣，傳送帶上的正電荷便被轉(zhuǎn)移到金屬球殼A的外表面上．隨著傳送帶不斷地把正電荷運(yùn)送到球殼上，球殼外表面所帶正電荷越來(lái)越多，因而它的電位(即對(duì)地電位差)也就越來(lái)越高，大型的范德格拉夫靜電起電機(jī)可產(chǎn)生高達(dá)107伏特的電位．如果放電針E接直流高壓電源H的負(fù)極，H的正極接地，那么球殼A的外表面帶負(fù)電，這時(shí)球殼A的電位是負(fù)值．范德格拉夫靜電起電機(jī)的主要用途是，用來(lái)加速帶電粒子，并使粒子獲得很大的動(dòng)能．為此，可在靜電起電機(jī)內(nèi)裝一加速管，加速管豎直放置，頂部在金屬球殼內(nèi)．管內(nèi)有離子發(fā)生裝置，底部可放置用各種材料制成的靶，加速管被抽成高度真空．因?yàn)榻饘偾驓る娢槐鹊仉娢桓撸怨軆?nèi)電場(chǎng)的方向豎直向下．正離子注入這電場(chǎng)后，便在電場(chǎng)力作用下向下加速運(yùn)動(dòng)，由于電場(chǎng)很強(qiáng)，離子經(jīng)過(guò)一段時(shí)間加速便能獲得很大的動(dòng)能，因而當(dāng)它轟擊底部的靶時(shí)，能夠引起核反應(yīng)并產(chǎn)生各種放射線．所以范德格拉夫靜電起電機(jī)是研究原子核反應(yīng)的基本設(shè)備之一．人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)電學(xué)的研究，掌握了相當(dāng)多的關(guān)于電荷的產(chǎn)生、儲(chǔ)存和分布的知識(shí)．可以說(shuō)，到富蘭克林為止，人們對(duì)于電荷的認(rèn)識(shí)已經(jīng)有相當(dāng)?shù)某删土耍墒?，科學(xué)家永遠(yuǎn)是不會(huì)滿足于已經(jīng)獲得的成就的．他們總是把已有的知識(shí)當(dāng)做是打開(kāi)新的知識(shí)的大門(mén)的開(kāi)始．于是，他們又提出了新的問(wèn)題：既然電荷之間有力的作用，那么這電力的大小該怎樣在數(shù)量上描述呢？在物理學(xué)家看來(lái)，如果不建立定量的規(guī)律，電的知識(shí)就不能被稱為一門(mén)嚴(yán)密的科學(xué)．卡文迪許和庫(kù)侖等人在這個(gè)問(wèn)題上深入探索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了電學(xué)上第一個(gè)量化的定律——庫(kù)侖定律．本杰明·富蘭克林的成就1706年1月17日，富蘭克林(圖1－10)出生在北美洲波士頓的一個(gè)制造蠟燭的手工工人家庭．由于家境的原因，他只在學(xué)校里讀了兩年書(shū)，之后是12年的印刷工人生活．但是他一直堅(jiān)持刻苦自學(xué)，閱讀了大量的書(shū)籍，為他后來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究和社會(huì)活動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)的文化科學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)．在他40歲的那一年，他在波士頓觀看了一名英國(guó)學(xué)者的電學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)此產(chǎn)生了很大的興趣．此后的八年中，他致力于電學(xué)的研究，并取得了巨大的成就．我們前面已經(jīng)提到了富蘭克林在確立電荷守恒定律的過(guò)程中所做的貢獻(xiàn)．此外更加著名的則是他冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)行的“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”(圖1－11)：在1752年6月的一個(gè)雷電交加的日子，他帶著兒子來(lái)到費(fèi)城廣場(chǎng)，把一個(gè)縛有尖導(dǎo)體的風(fēng)箏放入天空，風(fēng)箏的引線系在給萊頓瓶充電的鐵絲上面．雨水打濕了風(fēng)箏引線，云層中的電沿著它傳進(jìn)了萊頓瓶．等雨停后，富蘭克林拆下萊頓瓶，然后按照通常使萊頓瓶放電的方法使它放電，這個(gè)接收了云層中的電的萊頓瓶果然放出電來(lái)，跟用摩擦起電機(jī)充電的萊頓瓶放電的情況毫無(wú)二致．這樣，云層中的電和摩擦電的同一性終于被證明了．這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)震撼了全世界，因?yàn)樗鼘?duì)人們感到最神秘、最可怕的自然現(xiàn)象提供了理性的解釋，它破除了人們對(duì)閃電的迷信，證明了天電和地電的統(tǒng)一性．但是富蘭克林的這個(gè)實(shí)驗(yàn)也是極其危險(xiǎn)的，在他之后有好幾位科學(xué)家都在重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中被雷電擊死！富蘭克林的另一個(gè)重大成就是發(fā)現(xiàn)了尖端放電，并利用尖端放電的原理發(fā)明了避雷針．富蘭克林為了使這項(xiàng)新發(fā)明能盡快地推廣到世界各地，拒絕了當(dāng)局授予他的發(fā)明避雷針的專利權(quán)．可是在英國(guó)，國(guó)王喬治三世卻下令王宮里不準(zhǔn)裝富蘭克林發(fā)明的尖頭避雷針，而要裝圓頭的．我們知道，避雷針的頭越尖，放電的效果越好．那為什么喬治三世要這么做呢？說(shuō)出來(lái)實(shí)在可笑，原來(lái)只是因?yàn)楦惶m克林同時(shí)也是美國(guó)《獨(dú)立宣言》的三位主要起草人之一，是英國(guó)的“敵人”．可見(jiàn)當(dāng)時(shí)的王公貴族們，在科學(xué)上是多么的無(wú)知！富蘭克林對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)不僅在電學(xué)方面，而且在物理學(xué)和其他學(xué)科，如地學(xué)、氣象學(xué)、植物學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等方面，都有許多貢獻(xiàn)．在熱學(xué)中，他和劍橋大學(xué)的哈特萊共同利用乙醚的蒸發(fā)得到了零下25度的低溫，創(chuàng)立了蒸發(fā)致冷理論．他還發(fā)明了老年人用的雙焦距眼鏡．富蘭克林既是美國(guó)偉大的科學(xué)家，同時(shí)又是著名的政治家和文學(xué)家．但是他為人非常謙遜，在他病逝前，他為自己寫(xiě)的墓志銘只有簡(jiǎn)單的一句話：“印刷工富蘭克林”．真空中能產(chǎn)生電荷嗎我們知道，充電是電荷的分離過(guò)程，這是需要做功的．那么如果提供能量，能不能在真空中產(chǎn)生電荷呢？答案是肯定的．如果能量足夠高的X射線，穿過(guò)一塊離得很近的物體，或者一對(duì)X射線相碰撞，X射線的能量在真空中就能產(chǎn)生一正一負(fù)的電荷．這個(gè)過(guò)程在高能粒子碰撞中是常見(jiàn)的，并已被拍成照片．這種帶正電的電子被稱為正電子或反電子(圖1－12)．這種情況是怎么產(chǎn)生的？我們知道能量來(lái)自X射線．那么電荷又是怎樣產(chǎn)生的呢？“凈”電荷是永遠(yuǎn)不能創(chuàng)生的．如果開(kāi)始是零電荷，那么，總電荷必定總是零，從某種意義上講電荷能創(chuàng)生，即必須是正電荷和負(fù)電荷同時(shí)產(chǎn)生，因?yàn)檎暮拓?fù)的互相抵消，總的效果是產(chǎn)生的電荷仍然為零．更精確地說(shuō)，電荷是從真空中分離出來(lái)的，我們可以形象地做如下描述：如果真空的空間是灰色的，將其中一塊面積b中的灰度移到c位置，并與原有的灰色面積重合，因而，使c處變?yōu)樯罨疑蚴呛谏捎趶腷移走了灰度，所以剩下一塊白色的面積(圖1－13)．由此可見(jiàn)，實(shí)際上我們并沒(méi)有創(chuàng)生黑色和白色面積，而是從灰色中分離出了黑色和白色面積．因此，實(shí)質(zhì)上是在真空中分離出了正電荷和負(fù)電荷．當(dāng)然，要產(chǎn)生正的、負(fù)的電荷是需要能量的．此外，我們?cè)谏鲜龌疑恼婵罩腥∫粔K面積，迫使它移動(dòng)到另一地方，因而留下了一塊白色的面積．這就引起了應(yīng)變，或者說(shuō)是在黑色與白色面積之間有一個(gè)位移．這個(gè)應(yīng)變就是電場(chǎng)，有時(shí)又被稱做位移電場(chǎng)．如果沒(méi)有外力保持這種正、負(fù)電荷分離的狀態(tài)，那么，由于電場(chǎng)的作用，就會(huì)使正、負(fù)電荷互相吸引而結(jié)合在一起(圖1－14)．如果讓正負(fù)電荷迅速地結(jié)合在一起，你可以預(yù)料：原有的應(yīng)變就會(huì)消失，一切都將恢復(fù)到原有狀態(tài)——一個(gè)普通的灰色真空．但是，如果用迅速的地震破壞方法來(lái)釋放地球中的應(yīng)變能量，一切都能恢復(fù)到原有狀態(tài)嗎？一切都在恢復(fù)，但不會(huì)是平靜的．地球應(yīng)變能量的釋放，使得地球周圍的一切發(fā)生顫動(dòng)．由于正負(fù)電荷分離而產(chǎn)生的應(yīng)變能量的突然釋放，也會(huì)使正負(fù)電荷