电学基本规律的总结电学的第三个基本原理静电感应

电学基本规律的总结·电学的第三个基本原理——静电感应静电感应原理是英国自然哲学家康顿最早提出的．这个原理是指，如果把一块导体带进一个带电体的影响范围之内，无需接触带电体，在导体的远端就会出现与荷电体上电荷相同的电，而在导体近端出现的电荷与荷电体上的电荷性质相反．我们用一组实验来说明静电感应原理：①把一根金属棒放在一块玻璃底板上，棒的两端用金属线连接在验电器上．另外，我们还要有一根硬橡皮棒和一块绒布(图1－6)．实验进行如下：先察看一下验电器上的两块金箔是否合在一起，因为这是它们的正常位置．万一它们没有合拢，那么用手指接触一下金属棒，让它们合拢起来．做了这些初步工作以后，用绒布用力摩擦橡皮棒，再使它接触金属棒，两片金箔就立刻分开，甚至在橡皮棒移开以后，它们还是分开的．②我们再做一个实验．它所用的器具和以前的一样，开始实验时金箔仍然要合在一起．这次我们不使橡皮棒接触金属棒，而只放在金属棒附近．验电器的金箔又重新分开．但是这次的分开有点不同了．当橡皮棒(它完全没有接触金属)移开后，金箔不继续分开，而是立即合拢，恢复到原来的位置(图1－7)．③我们把器具稍微改变一下，来做第三个实验．假定金属棒是由两节连接起来的．我们用绒布把橡皮棒摩擦过以后，再把它接近金属棒．同样的现象又产生了——金箔分开了．但是现在先把金属棒的两节分开，然后才把橡皮棒移开．我们发现，在这个情况中金箔仍然分开，而不像在第二个实验中那样恢复原来的位置．用静电感应和电荷中和的原理很容易解释以上的实验．我们再把第二个实验做一点改变．假使当我们把橡皮棒放在金属棒旁边，同时又用自己的手指接触金属棒．现在会发生什么呢？请读者自己思考吧！范德格拉夫静电起电机(图1－9)是利用静电感应和尖端放电现象使导体获得极高电势的一种装置．图中A为一金属球壳，它固定在绝缘支柱B上，C是用绝缘材料(例如橡胶布)制成的传送带，它套在两个滑轮D和D′上．滑轮D由电动机M带动旋转，因而传送带循环运转．图中E和F是两排金属针，当E和几万伏的直流高压电源H的正极接通时，由于尖端处电场特别强，发生尖端放电现象，使靠近E的传送带带上正电，图中G是接地金属板，它的作用是加强E向传送带的喷电．当传送带上的正电荷被运送到F附近时，F由于静电感应带负电．同样，由于尖端附近电场特别强而发生尖端放电，这样，传送带上的正电荷便被转移到金属球壳A的外表面上．随着传送带不断地把正电荷运送到球壳上，球壳外表面所带正电荷越来越多，因而它的电位(即对地电位差)也就越来越高，大型的范德格拉夫静电起电机可产生高达107伏特的电位．如果放电针E接直流高压电源H的负极，H的正极接地，那么球壳A的外表面带负电，这时球壳A的电位是负值．范德格拉夫静电起电机的主要用途是，用来加速带电粒子，并使粒子获得很大的动能．为此，可在静电起电机内装一加速管，加速管竖直放置，顶部在金属球壳内．管内有离子发生装置，底部可放置用各种材料制成的靶，加速管被抽成高度真空．因为金属球壳电位比地电位高，所以管内电场的方向竖直向下．正离子注入这电场后，便在电场力作用下向下加速运动，由于电场很强，离子经过一段时间加速便能获得很大的动能，因而当它轰击底部的靶时，能够引起核反应并产生各种放射线．所以范德格拉夫静电起电机是研究原子核反应的基本设备之一．人们通过实验电学的研究，掌握了相当多的关于电荷的产生、储存和分布的知识．可以说，到富兰克林为止，人们对于电荷的认识已经有相当的成就了．可是，科学家永远是不会满足于已经获得的成就的．他们总是把已有的知识当做是打开新的知识的大门的开始．于是，他们又提出了新的问题：既然电荷之间有力的作用，那么这电力的大小该怎样在数量上描述呢？在物理学家看来，如果不建立定量的规律，电的知识就不能被称为一门严密的科学．卡文迪许和库仑等人在这个问题上深入探索，结果发现了电学上第一个量化的定律——库仑定律．本杰明·富兰克林的成就1706年1月17日，富兰克林(图1－10)出生在北美洲波士顿的一个制造蜡烛的手工工人家庭．由于家境的原因，他只在学校里读了两年书，之后是12年的印刷工人生活．但是他一直坚持刻苦自学，阅读了大量的书籍，为他后来进行科学研究和社会活动奠定了坚实的文化科学的知识基础．在他40岁的那一年，他在波士顿观看了一名英国学者的电学实验，对此产生了很大的兴趣．此后的八年中，他致力于电学的研究，并取得了巨大的成就．我们前面已经提到了富兰克林在确立电荷守恒定律的过程中所做的贡献．此外更加著名的则是他冒着生命危险进行的“风筝实验”(图1－11)：在1752年6月的一个雷电交加的日子，他带着儿子来到费城广场，把一个缚有尖导体的风筝放入天空，风筝的引线系在给莱顿瓶充电的铁丝上面．雨水打湿了风筝引线，云层中的电沿着它传进了莱顿瓶．等雨停后，富兰克林拆下莱顿瓶，然后按照通常使莱顿瓶放电的方法使它放电，这个接收了云层中的电的莱顿瓶果然放出电来，跟用摩擦起电机充电的莱顿瓶放电的情况毫无二致．这样，云层中的电和摩擦电的同一性终于被证明了．这个实验当时震撼了全世界，因为它对人们感到最神秘、最可怕的自然现象提供了理性的解释，它破除了人们对闪电的迷信，证明了天电和地电的统一性．但是富兰克林的这个实验也是极其危险的，在他之后有好几位科学家都在重复他的实验的过程中被雷电击死！富兰克林的另一个重大成就是发现了尖端放电，并利用尖端放电的原理发明了避雷针．富兰克林为了使这项新发明能尽快地推广到世界各地，拒绝了当局授予他的发明避雷针的专利权．可是在英国，国王乔治三世却下令王宫里不准装富兰克林发明的尖头避雷针，而要装圆头的．我们知道，避雷针的头越尖，放电的效果越好．那为什么乔治三世要这么做呢？说出来实在可笑，原来只是因为富兰克林同时也是美国《独立宣言》的三位主要起草人之一，是英国的“敌人”．可见当时的王公贵族们，在科学上是多么的无知！富兰克林对科学的贡献不仅在电学方面，而且在物理学和其他学科，如地学、气象学、植物学、数学、化学等方面，都有许多贡献．在热学中，他和剑桥大学的哈特莱共同利用乙醚的蒸发得到了零下25度的低温，创立了蒸发致冷理论．他还发明了老年人用的双焦距眼镜．富兰克林既是美国伟大的科学家，同时又是著名的政治家和文学家．但是他为人非常谦逊，在他病逝前，他为自己写的墓志铭只有简单的一句话：“印刷工富兰克林”．真空中能产生电荷吗我们知道，充电是电荷的分离过程，这是需要做功的．那么如果提供能量，能不能在真空中产生电荷呢？答案是肯定的．如果能量足够高的X射线，穿过一块离得很近的物体，或者一对X射线相碰撞，X射线的能量在真空中就能产生一正一负的电荷．这个过程在高能粒子碰撞中是常见的，并已被拍成照片．这种带正电的电子被称为正电子或反电子(图1－12)．这种情况是怎么产生的？我们知道能量来自X射线．那么电荷又是怎样产生的呢？“净”电荷是永远不能创生的．如果开始是零电荷，那么，总电荷必定总是零，从某种意义上讲电荷能创生，即必须是正电荷和负电荷同时产生，因为正的和负的互相抵消，总的效果是产生的电荷仍然为零．更精确地说，电荷是从真空中分离出来的，我们可以形象地做如下描述：如果真空的空间是灰色的，将其中一块面积b中的灰度移到c位置，并与原有的灰色面积重合，因而，使c处变为深灰色或是黑色．由于从b移走了灰度，所以剩下一块白色的面积(图1－13)．由此可见，实际上我们并没有创生黑色和白色面积，而是从灰色中分离出了黑色和白色面积．因此，实质上是在真空中分离出了正电荷和负电荷．当然，要产生正的、负的电荷是需要能量的．此外，我们在上述灰色的真空中取一块面积，迫使它移动到另一地方，因而留下了一块白色的面积．这就引起了应变，或者说是在黑色与白色面积之间有一个位移．这个应变就是电场，有时又被称做位移电场．如果没有外力保持这种正、负电荷分离的状态，那么，由于电场的作用，就会使正、负电荷互相吸引而结合在一起(图1－14)．如果让正负电荷迅速地结合在一起，你可以预料：原有的应变就会消失，一切都将恢复到原有状态——一个普通的灰色真空．但是，如果用迅速的地震破坏方法来释放地球中的应变能量，一切都能恢复到原有状态吗？一切都在恢复，但不会是平静的．地球应变能量的释放，使得地球周围的一切发生颤动．由于正负电荷分离而产生的应变能量的突然释放，也会使正负电荷