库仑定律的发现过程与启示

库仑定律可以说是一个实验定律，也可以说是牛顿引力定律在电学和磁学上的“推论”。如果是实验定律，库仑扭转试验起着重要作用，而电摆试验起着决定性作用。尽管如此，库仑仍然借鉴引力理论，模拟万有引力的大小与两个物体的质量成正比的关系，认为两个电荷之间的作用力也与两个电荷的电量成正比。如果这是牛顿万有引力定律的推论，普里斯特利和卡文迪什也做了很多工作。因此，从不同角度研究库仑定律并准确地重新理解它是十分必要的。首先，科学家对电的早期研究花了很长时间来理解和研究电的现象。直到16世纪，人们才对电的现象有了深入的了解。吉尔伯特系统地研究了静电现象。他首先提出了比较系统的原始理论，并引入了“电吸引”的概念。然而，吉尔伯特的工作仍处于定性阶段，进展甚微。在18世纪中叶，人们借助万有引力定律对电和磁进行了各种猜测。18世纪后期，科学家开始研究电荷相互作用。富兰克林第一个观察到电荷只分布在导体表面。普里斯特利重复了富兰克林的实验。在他的《电学的历史和现状》一书中，他首次预言，根据牛顿的自然哲学数学原理，电荷之间的力只能与距离的平方成反比。尽管这个想法非常重要，但普利斯特里的结论当时并没有受到科学的关注。在库仑定律提出之前，两个人进行了定量的实验研究，并得出了明确的结论。不幸的是，它们没有及时出版，也没有在促进科学发展中发挥应有的作用。一个是英国爱丁堡大学的罗宾逊，他认为电遵循平方反比定律，并得出指数n=2.06，因此对电的研究已经开始进行精确的研究。然而，他的作品直到1801年才出版。另一个是来自英国的卡文迪许。从1772年到1773年，他做了双同心球实验，第一次精确地测量了电力和距离的关系。发现带电导体的电荷都分布在表面上，而不在内部带电。卡文迪什的进一步分析表明，n=20.02。在当时的条件下，他的同心球实验结果相当准确。然而，很遗憾他没有公开发表这个结果。2.库仑定律的建立库仑是法国工程师和物理学家。1785年，库仑通过扭转平衡实验测量了两个电荷间作用力与两个电荷间距离的关系。他通过实验得出:“两个带相同电荷的小球之间的排斥力与两个球中心之间距离的平方成反比。”同年，他在论文《电学定律》中介绍了自己的实验装置、测试过程和实验结果。库仑扭秤巧妙地利用对称性原理，根据实验需要改变电量。库仑让可移动的球和固定的球携带等量的电荷，并改变它们之间的距离。根据实验数据，排斥力的大小与距离的平方成反比。然而，很难用扭秤测量不同电荷之间的引力。经过反复思考，库仑借鉴动力学实验解决了这个问题。库仑假设:如果不同电荷之间的引力也与它们之间距离的平方成反比，那么可以为实验设计一个电摆。通过电摆实验，库仑相信:“不同电流体之间的力，就像相同电流体之间的相互作用一样，与距离的平方成反比。”库仑通过类似于单摆的方法确定了不同电荷之间的吸引力也与它们的距离的平方成反比，并且不是通过扭力和静电力的平衡获得的。可以看出，库仑使用了两种方法来确定相互作用力和电荷间距离之间的关系。对于同性电荷，使用了静电力学。动态方法用于各向异性电荷。库仑注意修正实验中的误差，最后得到:“在做了我刚才所说的必要修正后，我总是发现磁流体的作用，无论是吸引还是排斥，都按照距离平方的倒数规律变化。”然而，应该指出的是，库仑只精确地测量了距离平方的反比，并把静电力和静磁力从形式归纳为万有引力的范畴。我们要强调的是，库仑没有证明静电力与电量的乘积成正比。“库仑只是认为应该如此。也就是说，库仑验证了功率与距离的平方成反比，但只推测功率与电的乘积成正比。”第三，平方反比定律对库仑定律的验证和影响是平方反比定律。自从发现以来，科学家们一直在测试索引2的准确性。威廉等人1971年的实验表明，库仑定律中指数2的偏差不超过10-16，因此假定为2。事实上，指数为2和光子静止质量为零可以相互推导。事实上，如果mz不为零，即使这个值很小，也会动摇物理建筑的重要基石，因为现有的理论都是基于mz等于零的前提。迄今为止，理论和实验表明，点电荷力的平方反比定律相当准确。在过去的200年里，幂的平方反比定律的精度提高了十几个数量级，成为当今物理学中最精确的实验定律之一。回顾建立库仑定律的过程，库仑并不是第一个做这种实验的人，他的实验结果也不是最准确的。我们称平方反比定律为库仑定律，因为库仑定律结束了电学发展的第一阶段。库仑的工作在很大程度上完善了静电学。为了纪念库仑，电的单位也以他的名字命名。库仑定律不仅是电磁学的基本定律，也是物理学的基本定律之一。库仑定律阐明了带电体之间的相互作用规律，决定了静电场的性质，为整个电磁学奠定了基础。自1777年以来，库仑一直致力于将超距离效应引入磁性和电学。他认为静电力和静磁力来自遥远的带电体和带电磁铁，而电流体和涡流对带电物质和磁铁没有影响。这些力都符合牛顿万有引力定律。库仑提供了精确的测量，并排除了所有关于电的性质的猜测。库仑对法国物理学家的影响也可以通过后来拉普拉斯的物理学概要得到证实。这个物理学概要的基本出发点是将所有物理现象简化为粒子之间的吸引和排斥现象。电或磁运动是带电粒子或带电磁性粒子之间吸引和排斥的结果。这种简化促进了分析数学在物理中的应用。因此，理论物理学可以首先在法国兴起。此外，从库仑定律的建立起，类比在科学研究中起着重要的作用。然而，一些类比在本质上往往是暂时的和过度的，它们只是作为物理学发展的“药物指南”或“催化剂”。因此，当物理学家通过类比引入新的概念或建立新的定律时，它们不应该局限于最初的类比，从类比中得出的所有推论都不应该被认为是绝对正确的，因为类比和假设只是物理学家在建造物理宏伟建筑时使用的脚手架。一旦建筑完成，脚手架就应该拆除。