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經典靜電學史與現代靜電技術

劉尚合

本文是作者發表在中國百種核心期刊<<物理>>1997年第1期上的論文主要內容
1、古代人類對靜電的認識

2、經典靜電學基礎理論的建立

4 現代靜電技術的建立

5.我國靜電科研概況 

靜電學是電學中最古老的學科,現在靜電應用技術和靜電防護技術已越來越受到人們的重視。而對經典靜電學作一較為詳細的回顧也是很有意義的。本文綜述了對經典靜電學的發展和其在物理學中所起的作用。概括了16世紀到19世紀科學家對靜電現象和靜電規律的研究及本世紀靜電技術的發展概況。

1、古代人類對靜電的認識

2500年前左右, 古希臘哲學家塔勒斯(Thales,640-546 B.C.)在研究天然磁石的磁性時發現用絲綢、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。所以,塔勒斯成為有歷史記載的第一個靜電實驗者。電這個詞起源於希臘語ελεκτρον(琥珀)。

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

但直到16世紀,除了偶爾發現埃爾摩(Elmo)火外, 對靜電別無其他記載。埃爾摩火是發生在船桅杆上或其附近的發光現象。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,多次地發現在桅杆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。

2、經典靜電學基礎理論的建立

電學之父Willian Glbert(英國人,1540-1603)重複了塔勒斯的實驗。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,是否其他的珠寶也有類似的性質呢?他用其他的珠寶作實驗,結果發現鑽石、蛋白石和藍寶石摩擦之後也有象琥珀樣吸引其他輕小物體的性質。他後來還發現其他物體也有類似的性質,如紫晶、玻璃、黑色大理石、硫磺、臘等。他注意到這些物質經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,他把這些用摩擦能帶電的物質叫為“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)”。

為了進一步研究這些物體的吸引能力, Gilbert還發明了第一個驗電器(versorium)用來檢驗帶電物體。這是一個中心可以轉動的很輕的木材或金屬做成的細針,當摩擦過的琥珀靠近時,細針可以轉動。他還發現在天氣乾燥的時候這些物體容易產生吸引力。Gilbert被稱為是電學之父。不久,Otto Von Guericke (1602-1686, 德國人)發現電的排斥現象。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。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, 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。 當球迅速轉動並用布或直接用手摩擦硫磺球時能產生很大的火花。1709年英國科學家(Francis Hauksbee,1666-1712)做了一個類似於Guericke的靜電發生器, 用一個大輪帶動一個小輪使得球轉得更快, 他計算球的線速度達到29英尺/秒, 當用毛皮摩擦球時, 強烈的放電會使球發出綠光。當他把臉貼近帶電球時他覺得有一股微風吹來。這種摩擦靜電起電機經過不斷改進,後來在靜電實驗中起過重要的作用,直到十九世紀 W. Holtztr和A.Topler分別發明感應起電機後才被取代。 他還發明了第一個靜電計(Electroscope)。把彎曲的稻草掛在絕緣的金屬棒的一端, 他發現當帶電體接近時稻草會時排斥而張開。他的另一個重大發現是:當把兩個相距1英寸的球放在一起, 而摩擦其中之一時, 兩球都發光,這一現象在當時他不瞭解, 實際上這就是靜電感應現象。

Stephen Gray (1666-1736,英國人), 在1720年發現絲綢, 幹木材, 毛髮經摩擦也能起電。他在研究琥珀吸引特性的傳遞時發現了導體和非導體的區別。他摩擦一根約一米長的空玻璃管, 為了保持玻璃管內乾淨, 他把一塞子塞入玻璃管的一端, 當他摩擦玻璃管時, 他發現塞子也能吸引輕小物體。他認為這種吸引力可以傳遞。從此, 他繼續以實驗來試驗電的這種傳遞能力。他把一個直經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, 他發現摩擦玻璃管時,這球也具有同樣的吸引力。他用了一根十八英尺長的釣魚杆代替小木棒, 而且實驗成功了。後來他試驗了線, 他發現連到玻璃管塞子上的線也能傳遞這種性質, 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。為了更進一步試驗這種性質,他站到房項上去, 發現即使站到34英尺高,象牙仍能吸引羽毛。他又發現濕線比幹線傳遞得更遠。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, 因為絲線會阻止電的損失, 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荷。這時他又把絲線換為金屬線以增加其強度, 可是他又發現實驗不靈了,最後他又換用更粗的絲線,實驗又行了,見圖6。從這些實驗中, Gray認為某些材料如鐵、銅是導體,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的許多實驗之後發現絕緣起來的金屬也可以摩擦起電。他認為任何物質只要絕緣起來之後都可帶電, 從而認為Gilbert把物體分為“摩擦起電物體”和“非摩擦起電物體”是不對的。他用金箔做實驗, 發現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, 他認為有兩種電, 一種是Vireous Electricity“玻璃電”(現在我們叫正電), 另一種是Resinous Electricity“樹脂電”(現在稱之為負電)。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極性。

佛蘭克林(Benjamin Franklin ,1706-1790)做了許多實驗後認為有兩種電荷存在, 即正電荷和負電荷。他的一個有名的實驗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,他認為摩擦後的玻璃棒帶正電, 而樹脂帶的電為負電。雖然這是很了不起的一步, 以後科學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電的了,當然正電流的方向就是電子運動的方向而不是其運動的反方向了。佛蘭克林認為靜電的產生不是由於摩擦了“摩擦起電物質”引起的, 而是由於“電流體”(Electric fluid)的轉移,雖然這概念不完全正確,但是實際過程卻與後來的發現基本相符合。

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上, 使電能通過釘子傳到水裏。他發現這瓶能貯電, 貯存到一定程度之後它能吸引小物體或產生火花, 他後來把水換成其他的液體如水銀、酒精後,能產生更大的火花。這種能貯電的瓶就是第一個電容器。萊頓大學教授Pieter von Musschenbroek (1672-1761,荷蘭人)重複了Ewald的實驗後, 他把瓶的內外用金屬箔襯托, 從瓶口的塞子中插入金屬線直到它觸及瓶內的金屬箔而發明了萊頓瓶(Leyden Jar)

萊頓瓶的發明為電的進一步研究提供了條件, 它對於電學知識的傳播起了重要作用。Jeau Antoine Nollet(法國人)曾做了一個當時最為壯觀的演示實驗,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。萊頓瓶的發明為佛蘭克林的重要發現提供了新的工具。佛蘭克林在萊頓瓶的內外壁分別連一導線, 把導線分開一定的距離後放在桌子上, 用絲綢線懸掛一塞子, 使它在這兩導線之間來回擺動分別觸及這兩導線, 直到萊頓瓶不帶電為止, 這證明了萊頓瓶內外壁有正負電荷存在。

佛蘭克林發現尖端是最易“吸引”電。他在房頂上豎立一根尖杆來試驗空氣和雲的帶電極性和特徵。他能利用尖杆和萊頓瓶收集電荷。他的這個實驗使他得到了一個偶然的收穫, 他發現了尖杆接地後能防止雷擊。他還做了有名的風箏實驗。有人會認為他在雷雨天氣放風箏是很愚蠢的, 而事實上是他在1752年的一天做實驗時雷雨正要來臨。他在風箏上固定一根金屬線, 以便從雷雲中獲取更多的電, 雨淋濕了連結風箏的細線, 而這細線的一端連在萊頓瓶的一端,當雷雨來臨時, 萊頓瓶上不斷產生火花。他知道這種實驗的危險性, 並採取了合適的安全措施。他用絲綢線連結到放風箏的細線上, 用手拿著絲綢線而不是放風箏的線,並把萊頓瓶接在連接絲綢線的前端, 人必須站在室內使得絲綢線不被淋濕。可是一德國科學家Gerog Wilheh Richman(1711-1753)在做類似的實驗時被電死, 他的助手也被電暈。

John Clanton (1718-1772)受佛蘭克林研究工作的啟發, 在1753年發現了帶電體會使接近它的金屬體的電荷遷移。即未帶電的導體接近帶電體時,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,義大利物理學家)發明了靜電感應起電盤,他利用靜電感應起電盤能使導體產生很高電壓的靜電。

法拉第(Michael Faraday ,1791-1867, 英國人)是位偉大的實驗科學家之一。他的研究覆蓋了許多領域如化學、物理和電學。他引入了帶電體周圍電力線的概念。他的一個很有趣的實驗是法拉第籠實驗。 他坐在金屬籠內, 當籠外發生強大的靜電放電時,他並未感到任何電擊並且驗電器也無任何顯示。他的另一個重要實驗是法拉第桶(Faraday ice-pail)實驗,當一帶電體接觸金屬桶的內壁時, 電荷會轉移到桶的外表面,這種現象的發生與桶外是否存在電荷無關。

  最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, 他把這現象告訴了普利斯特利, 希望他重做此實驗。 1766年,普利斯特利做了佛蘭克林提出的實驗, 他使空腔金屬容器帶電, 發現其內表面沒有電荷, 而且金屬容器對放於其內部的電荷明顯地沒有作用力。他立刻想到這一現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律, 即兩個電荷間的作用力應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, 他的研究結果是多年之後(1801年)發表才為人所知。

1772年英國物理學家 Cavendish 遵循普利斯特利的思想以實驗驗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, 使這兩個半球構成與球形容器同心的絕緣導體球殼。用一根短導線連接球形容器和兩個半球, 利用一根系於短導線上的絲線來移動導線。Cavendish先用短導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線抽去。再將兩半球移開, 並使之放電。然後用當時最準確的木髓球靜電計檢測球形容器上的帶電狀態。靜電計並未檢測到球形容器上有任何帶電的跡象。他用實驗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的實驗得出的定量結果與十三年後(1785年) 庫侖(Charle Augustine de Coulomb,1736-1806)用扭秤直接測量所得的結果的準確度相當,但他的研究成果都沒有發表。是一百年後Maxwell整理 Cavendish的大量手稿時才將上述結果公諸於世的。

  最為著名的是法國物理學家庫侖的研究工作。庫侖曾從事毛髮和金屬絲扭轉彈性的研究, 這導致他在1777年發明了後來被稱為庫侖秤的扭轉天平或扭秤。 1784年庫侖發表論文, 介紹他發現的扭轉力與線材直徑、長度、扭轉角度以及與線材物理特性有關的常數之間的關係,還介紹了用扭秤測量各種弱力的方法。同年,庫侖回應法國科學院有賞徵集研究船用羅盤,他的科學生涯開始從工程、建築轉向電、磁的研究。1785年庫侖設計製作了一台精確的扭秤, 用扭秤實驗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。他的實驗誤差偏離平方為 4×10-2 。庫侖的研究工作得到了普遍的承認, 而平方反比定律也就以庫侖的名字來命名了。

Luigi Galvani (1737-1798, Bologna 大學教授)發現了一種不用摩擦就能產生的電。他觀察到摩擦起電會使青蛙腿抽搐, 在青蛙身上試驗時抽搐得更利害。在1786年的一個颳風的一天, 當他用銅鉤懸掛青蛙置於窗外時, 他偶然發現只要風吹得青蛙觸及鐵柱時, 青蛙也抽搐, 他認為這種現象與把青蛙連到靜電起電機上的情形相似,但這時沒有靜電源存在。

Galvani 把青蛙腿放在鐵鍋中, 然後用銅線觸及青蛙腿的神經, 發現青蛙腿抽搐, 當用鐵絲觸及青蛙的神經時不會發生抽搐。當他試驗了多種金屬材料之後, 他發現兩種不同的金屬接觸青蛙時會發生抽搐。Galvanic把它稱為“生物電”,現在人們都知道當兩種不同的金屬接觸後會產生電位差。這種現象叫Galvanic現象或接觸電勢。

伏特在1799年仔細研究了Galvanic現象之後, 認為青蛙腿的抽搐不過是對於電流的靈敏反應, 而肌肉提供了一定的溶液,因此電流產生的先決條件是兩種不同金屬插在某種溶液中並構成回路。他在1800年用鋅板和銅板插入一瓶稀酸中做成了第一個電池, 這種電池叫伏打電池。他把電池串聯起來做成了一個電流更強的伏打電堆(Voltaic pile)。電壓的單位伏特就是以他的名字命名的。

  在電池發明之後,人們可以獲得連續的電流,這導致許多的新發現。在這以前在科學界仍然普遍認為電與磁相互毫無關係。1820年7月Oersted向科學界宣佈了他發現電流的磁效應,打開了電應用的新領域。1820年9月安培發現了圓電流對磁鍼的作用。1820年10月Biot 和Savart發現了長直電流導線對磁極的作用正比於1/r 。1821年安培提出分子電流假說。1822年Thomas Johann Seebeck 發現只要牢固地連接銅線和一根別的金屬(鉍)線的兩端, 並維持兩個接頭於不同的溫度, 也可獲得微弱的電流, 這就是溫差電效應。1831年Faraday發現電磁感應現象。1833年Faraday證明摩擦起電和Volta電池產生的電相同。1874劍橋的物理教授年Maxwell(James Clerk Maxwell, 1831-1879, 蘇格蘭人) 建立了電磁場方程組。Maxwell推論電磁的相互作用以波的形式傳播並預言光是電磁波。1888年 Heinrich Hertz 證實了Maxwell 的推論和預言,從而開闢了電磁學應用的領域──無線電技術。

  到十九世紀末, 電磁學已發展成為經典物理學中相當完善的一個分支。電磁學滲透到物理學的各個領域, 電工技術、電子技術等得到迅速發展和應用。從此,改變了人類社會的生產和生活方式。

4 .現代靜電技術的建立

在二十世紀初,靜電學也從從實驗和科學階段走向實際應用的階段。但是應用面較窄,僅在靜電除塵方面有些應用。雖然1824年 Hohlfeld 第一次演示了靜電收塵實驗。但1907年Frederik G. Cottrell才製造了世界上第一台實際應用的靜電除塵器用於捕集硫酸酸霧。靜電除塵器在控制酸霧排放的成功,迅速導致其在其他工業煙塵污染源中的應用。1922年Van de Graff發明了實用的靜電起電機。1923年Detroit Edison 公司安裝了第一台靜電除塵器。從此,靜電除塵、靜電噴塗、靜電分離、靜電複印等取得了一定的地位。為現代靜電技術的建立奠定了基礎。在二十世紀中期,隨著工業生產的高速發展以及高分子材料的迅速推廣應用, 一方面,一些電阻率很高的高分子材料如塑膠,橡膠等的製品的廣泛應用以及現代生產過程的高速化, 使得靜電能積累到很高的程度, 另一方面,靜電敏感材料的生產和使用, 如輕質油品, 火藥, 固態電子器件等, 工礦企業部門受靜電的危害也越來越突出, 靜電危害造成了相當嚴重的後果和損失。它曾使得它造成電子工業年損失達上百億美元,這還不包括潛在的損失。在航太工業,靜電放電造成火箭和衛星發射失敗,干擾航太飛行器的運行。在石化工業,美國從1960年到1975年由於靜電引起的火災爆炸事故達116起。1969年底在不到一個月的時間內荷蘭、挪威、英國三艘20萬噸超級油輪洗艙時產生的靜電引起相繼發生爆炸以後引起了世界科學家對靜電防護的關注。我國近年來在石化企業曾發生30多起較大的靜電事故, 其中損失達百萬元以上的有數起。例如上海某石化公司的2000米3 甲苯罐, 山東某石化公司的膠渣罐, 撫順某石化公司的航煤罐等都因靜電造成了嚴重火災爆炸事故。二次世界大戰後許多工業發達國家都建立了許多靜電科研機構從事靜電研究。

5.我國靜電科研概況

我國少數科研單位如從60年代末開始開展了一些靜電研究工作,但在文化革命期間中斷了,到70年代~80年代國內有北京市勞動保護科學研究所北京理工大學、石化總公司、復旦大學等開展了較為系統和深入的靜電研究工作特別是對石油靜電防護進行了大量而深入的研究。從80年代開始以來, 我國的靜電研究發展極為迅速。 1981年成立了中國物理學會靜電專業委員會並召開了第一次全國靜電學術會議,全國性的和各地方的靜電學術會議不斷召開,靜電研究和應用的範圍也越來越廣,科研隊伍不斷壯大, 靜電技術日益受到各級領導和全國科技工作者的重視,1988年、1990年和1993年在我國北京,1997年在上海分別舉辦了四次國際性的靜電學術會議。

 

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