5.我國靜電科研概況 

靜電學(xué)是電學(xué)中..古老的學(xué)科，現(xiàn)在靜電應(yīng)用技術(shù)和靜電防護(hù)技術(shù)已越來越受到人們的重視。而對經(jīng)典靜電學(xué)作一較為詳細(xì)的回顧也是很有意義的。本文綜述了對經(jīng)典靜電學(xué)的發(fā)展和其在物理學(xué)中所起的作用。概括了16世紀(jì)到19世紀(jì)科學(xué)家對靜電現(xiàn)象和靜電規(guī)律的研究及本世紀(jì)靜電技術(shù)的發(fā)展概況。

1、古代人類對靜電的認(rèn)識

2500年前左右, 古希臘哲學(xué)家塔勒斯(Thales,640-546 B.C.)在研究天然磁石的磁性時發(fā)現(xiàn)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(zhì)。所以，塔勒斯成為有歷史記載的第一個靜電實(shí)驗(yàn)者。電這個詞起源於希臘語ελεκτρον(琥珀)。

西元三世紀(jì),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(jié)，有光者，亦有吒聲”這裏記載頭髮因摩擦起電發(fā)出的閃光和劈啪之聲。

但直到16世紀(jì)，除了偶爾發(fā)現(xiàn)埃爾摩(Elmo)火外, 對靜電別無其他記載。埃爾摩火是發(fā)生在船桅桿上或其附近的發(fā)光現(xiàn)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(fā)現(xiàn)在桅桿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(dāng)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(hù)。

2、經(jīng)典靜電學(xué)基礎(chǔ)理論的建立

電學(xué)之父Willian　Glbert(英國人，1540-1603)重複了塔勒斯的實(shí)驗(yàn)。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(zhì)，是否其他的珠寶也有類似的性質(zhì)呢？他用其他的珠寶作實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑽石、蛋白石和藍(lán)寶石摩擦之後也有象琥珀樣吸引其他輕小物體的性質(zhì)。他後來還發(fā)現(xiàn)其他物體也有類似的性質(zhì)，如紫晶、玻璃、黑色大理石、硫磺、臘等。他注意到這些物質(zhì)經(jīng)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(zhì)，他把這些用摩擦能帶電的物質(zhì)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(jìn)一步研究這些物體的吸引能力, Gilbert還發(fā)明了第一個驗(yàn)電器(versorium)用來檢驗(yàn)帶電物體。這是一個中心可以轉(zhuǎn)動的很輕的木材或金屬做成的細(xì)針，當(dāng)摩擦過的琥珀靠近時，細(xì)針可以轉(zhuǎn)動。他還發(fā)現(xiàn)在天氣乾燥的時候這些物體容易產(chǎn)生吸引力。Gilbert被稱為是電學(xué)之父。不久，Otto Von Guericke (1602-1686, 德國人)發(fā)現(xiàn)電的排斥現(xiàn)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(jī)。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(nèi), 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(dāng)球迅速轉(zhuǎn)動並用布或直接用手摩擦硫磺球時能產(chǎn)生很大的火花。1709年英國科學(xué)家（Francis Hauksbee，1666-1712)做了一個類似於Guericke的靜電發(fā)生器, 用一個大輪帶動一個小輪使得球轉(zhuǎn)得更快, 他計算球的線速度達(dá)到29英尺/秒, 當(dāng)用毛皮摩擦球時, 強(qiáng)烈的放電會使球發(fā)出綠光。當(dāng)他把臉貼近帶電球時他覺得有一股微風(fēng)吹來。這種摩擦靜電起電機(jī)經(jīng)過不斷改進(jìn)，後來在靜電實(shí)驗(yàn)中起過重要的作用，直到十九世紀(jì) W. Holtztr和A.Topler分別發(fā)明感應(yīng)起電機(jī)後才被取代。 他還發(fā)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(fā)現(xiàn)當(dāng)帶電體接近時稻草會時排斥而張開。他的另一個重大發(fā)現(xiàn)是：當(dāng)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(fā)光,這一現(xiàn)象在當(dāng)時他不瞭解, 實(shí)際上這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。

Stephen Gray (1666-1736，英國人), 在1720年發(fā)現(xiàn)絲綢, 幹木材, 毛髮經(jīng)摩擦也能起電。他在研究琥珀吸引特性的傳遞時發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體和非導(dǎo)體的區(qū)別。他摩擦一根約一米長的空玻璃管, 為了保持玻璃管內(nèi)乾淨(jìng), 他把一塞子塞入玻璃管的一端, 當(dāng)他摩擦玻璃管時, 他發(fā)現(xiàn)塞子也能吸引輕小物體。他認(rèn)為這種吸引力可以傳遞。從此, 他繼續(xù)以實(shí)驗(yàn)來試驗(yàn)電的這種傳遞能力。他把一個直經(jīng)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(fā)現(xiàn)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桿代替小木棒, 而且實(shí)驗(yàn)成功了。後來他試驗(yàn)了線, 他發(fā)現(xiàn)連到玻璃管塞子上的線也能傳遞這種性質(zhì), 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(jìn)一步試驗(yàn)這種性質(zhì),他站到房項上去, 發(fā)現(xiàn)即使站到34英尺高,象牙仍能吸引羽毛。他又發(fā)現(xiàn)濕線比幹線傳遞得更遠(yuǎn)。由於在他的附近沒有更高的懸崖或建築物, 他想從水平方向延長這線。他把線掛在一房屋的橫樑, 這時吸引力不再傳遞了,他認(rèn)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?yàn)榻z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(fù)荷。這時他又把絲線換為金屬線以增加其強(qiáng)度, 可是他又發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)不靈了，..後他又換用更粗的絲線,實(shí)驗(yàn)又行了，見圖6。從這些實(shí)驗(yàn)中, Gray認(rèn)為某些材料如鐵、銅是導(dǎo)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(shí)驗(yàn)之後發(fā)現(xiàn)絕緣起來的金屬也可以摩擦起電。他認(rèn)為任何物質(zhì)只要絕緣起來之後都可帶電, 從而認(rèn)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(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)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(rèn)為有兩種電, 一種是Vireous Electricity“玻璃電”(現(xiàn)在我們叫正電), 另一種是Resinous Electricity“樹脂電”(現(xiàn)在稱之為負(fù)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(fù)極性。

佛蘭克林（Benjamin Franklin ，1706-1790）做了許多實(shí)驗(yàn)後認(rèn)為有兩種電荷存在, 即正電荷和負(fù)電荷。他的一個有名的實(shí)驗(yàn)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(rèn)為摩擦後的玻璃棒帶正電, 而樹脂帶的電為負(fù)電。雖然這是很了不起的一步, 以後科學(xué)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(fù)電的了,當(dāng)然正電流的方向就是電子運(yùn)動的方向而不是其運(yùn)動的反方向了。佛蘭克林認(rèn)為靜電的產(chǎn)生不是由於摩擦了“摩擦起電物質(zhì)”引起的, 而是由於“電流體”(Electric fluid)的轉(zhuǎn)移,雖然這概念不完全正確,但是實(shí)際過程卻與後來的發(fā)現(xiàn)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(jī)上, 使電能通過釘子傳到水裏。他發(fā)現(xiàn)這瓶能貯電, 貯存到一定程度之後它能吸引小物體或產(chǎn)生火花, 他後來把水換成其他的液體如水銀、酒精後，能產(chǎn)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(xué)教授Pieter von Musschenbroek (1672-1761,荷蘭人)重複了Ewald的實(shí)驗(yàn)後, 他把瓶的內(nèi)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(nèi)的金屬箔而發(fā)明了萊頓瓶(Leyden Jar)。

萊頓瓶的發(fā)明為電的進(jìn)一步研究提供了條件, 它對於電學(xué)知識的傳播起了重要作用。Jeau Antoine Nollet(法國人)曾做了一個當(dāng)時..為壯觀的演示實(shí)驗(yàn),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(dāng)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(fā)明為佛蘭克林的重要發(fā)現(xiàn)提供了新的工具。佛蘭克林在萊頓瓶的內(nèi)外壁分別連一導(dǎo)線, 把導(dǎo)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(dǎo)線之間來回擺動分別觸及這兩導(dǎo)線, 直到萊頓瓶不帶電為止, 這證明了萊頓瓶內(nèi)外壁有正負(fù)電荷存在。

佛蘭克林發(fā)現(xiàn)尖端是..易“吸引”電。他在房頂上豎立一根尖桿來試驗(yàn)空氣和雲(yún)的帶電極性和特徵。他能利用尖桿和萊頓瓶收集電荷。他的這個實(shí)驗(yàn)使他得到了一個偶然的收穫, 他發(fā)現(xiàn)了尖桿接地後能防止雷擊。他還做了有名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)。有人會認(rèn)為他在雷雨天氣放風(fēng)箏是很愚蠢的, 而事實(shí)上是他在1752年的一天做實(shí)驗(yàn)時雷雨正要來臨。他在風(fēng)箏上固定一根金屬線, 以便從雷雲(yún)中獲取更多的電, 雨淋濕了連結(jié)風(fēng)箏的細(xì)線, 而這細(xì)線的一端連在萊頓瓶的一端,當(dāng)雷雨來臨時, 萊頓瓶上不斷產(chǎn)生火花。他知道這種實(shí)驗(yàn)的危險性, 並採取了合適的安全措施。他用絲綢線連結(jié)到放風(fēng)箏的細(xì)線上, 用手拿著絲綢線而不是放風(fēng)箏的線,並把萊頓瓶接在連接絲綢線的前端, 人必須站在室內(nèi)使得絲綢線不被淋濕?？墒且坏聡茖W(xué)家Gerog Wilheh Richman(1711-1753)在做類似的實(shí)驗(yàn)時被電死, 他的助手也被電暈。

John Clanton (1718-1772)受佛蘭克林研究工作的啟發(fā), 在1753年發(fā)現(xiàn)了帶電體會使接近它的金屬體的電荷遷移。即未帶電的導(dǎo)體接近帶電體時,靠近帶電體這端帶的電荷與帶電體的電荷的極性相反，而另一端帶的電荷與帶電體的電荷的極性相同。

　　1775年伏特（Alessandro Volta，1745-1827，義大利物理學(xué)家）發(fā)明了靜電感應(yīng)起電盤,他利用靜電感應(yīng)起電盤能使導(dǎo)體產(chǎn)生很高電壓的靜電。

法拉第（Michael Faraday ，1791-1867, 英國人）是位偉大的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家之一。他的研究覆蓋了許多領(lǐng)域如化學(xué)、物理和電學(xué)。他引入了帶電體周圍電力線的概念。他的一個很有趣的實(shí)驗(yàn)是法拉第籠實(shí)驗(yàn)。 他坐在金屬籠內(nèi), 當(dāng)籠外發(fā)生強(qiáng)大的靜電放電時,他並未感到任何電擊並且驗(yàn)電器也無任何顯示。他的另一個重要實(shí)驗(yàn)是法拉第桶(Faraday ice-pail)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)一帶電體接觸金屬桶的內(nèi)壁時, 電荷會轉(zhuǎn)移到桶的外表面,這種現(xiàn)象的發(fā)生與桶外是否存在電荷無關(guān)。

　　..早提出電力平方反比定律的是普利斯特利（Priestley ,1737-1804, 英國人）。普利斯特利的友好佛蘭克林曾觀察到放在金屬杯中的軟木小球完全不受金屬杯上電荷的影響, 他把這現(xiàn)象告訴了普利斯特利, 希望他重做此實(shí)驗(yàn)。 1766年,普利斯特利做了佛蘭克林提出的實(shí)驗(yàn), 他使空腔金屬容器帶電, 發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面沒有電荷, 而且金屬容器對放於其內(nèi)部的電荷明顯地沒有作用力。他立刻想到這一現(xiàn)象與萬有引力的情況非常相似。因此他猜想電力與萬有引力有相同的規(guī)律, 即兩個電荷間的作用力應(yīng)與他們之間距離的平方成反比。在1767年普利斯特利寫了一本《電的歷史和現(xiàn)狀》。

1769年, 愛丁堡的John Robison 首先用直接測量方法確定電力的定律, 他得到兩個同號電荷的排斥力與其距離的2.06次方成反比。他推斷正確的電力定律是平方反比律, 他的研究結(jié)果是多年之後(1801年)發(fā)表才為人所知。

1772年英國物理學(xué)家 Cavendish 遵循普利斯特利的思想以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電力平方反比定律。他將一個金屬球形容器固定在一絕緣支柱上。用玻璃棒將兩個金屬半球固定在鉸鏈於同一軸的兩個木制框架, 使這兩個半球構(gòu)成與球形容器同心的絕緣導(dǎo)體球殼。用一根短導(dǎo)線連接球形容器和兩個半球, 利用一根系於短導(dǎo)線上的絲線來移動導(dǎo)線。Cavendish先用短導(dǎo)線使球形容器與兩半球相連。用萊頓瓶使兩半球帶電, 萊頓瓶的電位可事先測定, 隨後通過絲線將短導(dǎo)線抽去。再將兩半球移開, 並使之放電。然後用當(dāng)時..準(zhǔn)確的木髓球靜電計檢測球形容器上的帶電狀態(tài)。靜電計並未檢測到球形容器上有任何帶電的跡象。他用實(shí)驗(yàn)和計算的方法得出電力與距離成反比的方次與2的差值不大於0.02。Cavendish的實(shí)驗(yàn)得出的定量結(jié)果與十三年後(1785年) 庫侖（Charle Augustine de Coulomb，1736-1806）用扭秤直接測量所得的結(jié)果的準(zhǔn)確度相當(dāng)，但他的研究成果都沒有發(fā)表。是一百年後Maxwell整理 Cavendish的大量手稿時才將上述結(jié)果公諸於世的。

　　..為著名的是法國物理學(xué)家?guī)靵龅难芯抗ぷ?。庫侖曾從事毛髮和金屬絲扭轉(zhuǎn)彈性的研究, 這導(dǎo)致他在1777年發(fā)明了後來被稱為庫侖秤的扭轉(zhuǎn)天平或扭秤。 1784年庫侖發(fā)表論文, 介紹他發(fā)現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)力與線材直徑、長度、扭轉(zhuǎn)角度以及與線材物理特性有關(guān)的常數(shù)之間的關(guān)係，還介紹了用扭秤測量各種弱力的方法。同年，庫侖回應(yīng)法國科學(xué)院有賞徵集研究船用羅盤，他的科學(xué)生涯開始從工程、建築轉(zhuǎn)向電、磁的研究。1785年庫侖設(shè)計製作了一臺精確的扭秤, 用扭秤實(shí)驗(yàn)證明了同號電荷的斥力遵從平方反比律,用振盪法證明異號電荷的吸引力也遵從平方反比定律。他的實(shí)驗(yàn)誤差偏離平方為 4×10^－2 。庫侖的研究工作得到了普遍的承認(rèn), 而平方反比定律也就以庫侖的名字來命名了。