图:Louis Hierle, 1894(公有领域)
夏尔-奥古斯丁·库仑
Charles-Augustin de Coulomb1736–1806 · 生于法国昂古莱姆 · 法国
用一根细丝,第一次称出了电力的大小
在库仑之前,电学是一门定性的学问:人们知道摩擦过的琥珀会吸引纸屑,知道同性相斥、异性相吸,但没有人能说出「多大」。库仑做的事,是把电从奇观变成可以计算的量。
九年热带工程
库仑的前半生是个军事工程师。1764 年他被派往马提尼克岛督造波旁堡垒,在热带待了九年,回国时身体已经垮了一半。但那九年不是白费的:常年和土方、砖石、绳索打交道,让他对摩擦、扭转、材料承载有了别人没有的直觉。他 1773 年提交给科学院的土压力论文,今天被看作土力学的开山之作;1781 年那篇摩擦定律的论文为他赢得科学院大奖和院士席位。
一根蚕丝般的细线
问题在于电力太弱了。要测量它,得有一台比当时任何天平都灵敏的仪器。库仑的解法是扭秤:把一根细金属丝竖直吊下来,下端横挂一根轻杆,杆的一端是个带电小球。另一个带电球靠近时,横杆偏转,细丝被扭动——而扭转的角度和扭力成正比,这个关系他在研究材料扭转时早就摸清了。
于是电力的测量被转化成了一个角度的读数。1785 年,他把两个带同种电荷的小球放到不同距离上,读出偏转角:距离减半,斥力变成四倍。平方反比。
和引力长得一样的定律
同一年的第二篇论文里,他用另一套方法处理了异种电荷的吸引,得到同样的形式。这个结果的分量在于它的「眼熟」:电力的数学形式和牛顿的万有引力一模一样。两种看起来毫不相干的力,服从同一个几何——这个巧合后来一直是物理学家的困惑与灵感来源。
把电交给数学
库仑之后,电学可以列方程了。泊松用它建起静电学的势理论,安培把它接到电流上,法拉第和麦克斯韦最终把电、磁、光缝成一件东西。1881 年的国际电学大会把电量单位定名为「库仑」——一位在热带工地上损耗了健康的工程兵军官,名字从此钉在了电荷本身上。2019 年国际单位制改制后,这个单位被反过来定义:一库仑就是 6.241509074×10¹⁸ 个基本电荷,一个精确的整数比。
代表方程
库仑定律
两个电荷之间的作用力,与电量的乘积成正比,与距离的平方成反比。它和万有引力定律长得几乎一样——只是电力有正负,引力只有吸引。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.库仑《论电与磁》第一至第七回忆录,法国科学院《回忆录》(1785–1791)——扭秤实验与平方反比律
- 2.奥斯特《关于电流对磁针作用的实验》(哥本哈根,1820)——电与磁第一次被连上,全文可读