靜電學(xué)史與現(xiàn)代靜電技術(shù)靜電學(xué)史與現(xiàn)代靜電技術(shù)靜電學(xué)史與現(xiàn)代靜電技術(shù)xxx公司靜電學(xué)史與現(xiàn)代靜電技術(shù)文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計，管理制度靜電學(xué)史與現(xiàn)代靜電技術(shù)靜電學(xué)是電學(xué)中最古老的學(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.)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)之后也有類似于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驗者。電這個詞起源于希臘語ελεκτρον(琥珀)。

公元三世紀(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，亦有咤聲”這里記載頭發(fā)因摩擦起電發(fā)出的閃光和噼啪之聲。

但直到16世紀(jì)，除了偶爾發(fā)現(xiàn)埃爾摩(Elmo)火外,對靜電別無其它記載。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)他們多次平安脫險后，這火光反而變成了安慰的源泉。水手們把它命名為圣.埃爾摩火，用來象征他們所信仰的圣徒埃爾摩的保護(hù)。

2、經(jīng)典靜電學(xué)基礎(chǔ)理論的建立

電學(xué)之父WillianGlbert(英國人，1540-1603)重復(fù)了塔勒斯的實驗。他想為什么琥珀這個用于裝飾用的東西摩擦之后會有吸引輕小物體的性質(zhì)，是否其它的珠寶也有類似的性質(zhì)呢？他用其它的珠寶作實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉆石、蛋白石和藍(lán)寶石摩擦之后也有象琥珀樣吸引其它輕小物體的性質(zhì)。他后來還發(fā)現(xiàn)其它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)摩擦之后雖然能吸引東面，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)明了第一個驗電器(versorium)用來檢驗帶電物體。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)在天氣干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，OttoVonGuericke(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，然后排斥。

1678年Guericke制造了第一個摩擦靜電起電機。他把硫磺粉碎熔化后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,硫磺冷卻后，把玻璃球破碎,做成一個硫磺球。當(dāng)球迅速轉(zhuǎn)動并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（FrancisHauksbee，1666-1712)做了一個類似于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經(jīng)過不斷改進(jìn)，后來在靜電實驗中起過重要的作用，直到十九世紀(jì)W.Holtztr和分別發(fā)明感應(yīng)起電機后才被取代。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)時他不了解,實際上這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。

StephenGray(1666-1736，英國人),在1720年發(fā)現(xiàn)絲綢,干木材,毛發(fā)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)干凈,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)以實驗來試驗電的這種傳遞能力。他把一個直經(jīng)約一英寸的象牙球鉆一小孔,然后插入一小木棒,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,而且實驗成功了。后來他試驗了線,他發(fā)現(xiàn)連到玻璃管塞子上的線也能傳遞這種性質(zhì),然后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)濕線比干線傳遞得更遠(yuǎn)。由于在他的附近沒有更高的懸崖或建筑物,他想從水平方向延長這線。他把線掛在一房屋的橫梁,這時吸引力不再傳遞了,他認(rèn)為電跑到橫梁中去了。Gray的好友GranvileWhelter建議用絲綢線作懸掛線,因為絲線會阻止電的損失,在采用了Whelter的建議之后,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度,可是他又發(fā)現(xiàn)實驗不靈了，最后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(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。

CharlesDuFay(1698-1739,法國人)1733年重復(fù)了Gray的許多實驗之后發(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)只要絕緣起來之后都可帶電,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。他用金箔做實驗,發(fā)現(xiàn)用摩擦帶電的玻璃棒使金箔帶電之后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VireousElectricity“玻璃電”(現(xiàn)在我們叫正電),另一種是ResinousElectricity“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。

富蘭克林（BenjaminFranklin，1706-1790）做了許多實驗后認(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,用布摩擦玻璃棒后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后再用手指互相接觸,電擊就弱些。1747年,他認(rèn)為摩擦后的玻璃棒帶正電,而樹脂帶的電為負(fù)電。雖然這是很了不起的一步,以后科學(xué)有可能將富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動的方向而不是其運動的反方向了。富蘭克林認(rèn)為靜電的產(chǎn)生不是由于摩擦了“摩擦起電物質(zhì)”引起的,而是由于“電流體”(Electricfluid)的轉(zhuǎn)移,雖然這概念不完全正確,但是實際過程卻與后來的發(fā)現(xiàn)基本相符合。

Ewald(1700-1746,德國人)于1745年把玻璃瓶灌入半瓶水,上面塞上塞子,然后從塞子中穿入一釘子直到釘子恰好觸及水面,然后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里。他發(fā)現(xiàn)這瓶能貯電,貯存到一定程度之后它能吸引小物體或產(chǎn)生火花,他后來把水換成其它的液體如水銀、酒精后，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PietervonMusschenbroek(1672-1761,荷蘭人)重復(fù)了Ewald的實驗后,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(LeydenJar)。

萊頓瓶的發(fā)明為電的進(jìn)一步研究提供了條件,它對于電學(xué)知識的傳播起了重要作用。JeauAntoineNollet(法國人)曾做了一個當(dāng)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(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)明為富蘭克林的重要發(fā)現(xiàn)提供了新的工具。富蘭克林在萊頓瓶的內(nèi)外壁分別連一導(dǎo)線,把導(dǎo)線分開一定的距離后放在桌子上,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。

富蘭克林發(fā)現(xiàn)尖端是最易“吸引”電。他在房頂上豎立一根尖桿來試驗空氣和云的帶電極性和特征。他能利用尖桿和萊頓瓶收集電荷。他的這個實驗使他得到了一個偶然的收獲,他發(fā)現(xiàn)了尖桿接地后能防止雷擊。他還做了有名的風(fēng)箏實驗。有人會認(rèn)為他在雷雨天氣放風(fēng)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(fēng)箏上固定一根金屬線,以便從雷云中獲取更多的電,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。他知道這種實驗的危險性,并采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,并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GerogWilhehRichman(1711-1753)在做類似的實驗時被電死,他的助手也被電暈。

JohnClanton(1718-1772)受富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（AlessandroVolta，1745-1827，意大利物理學(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（MichaelFaraday，1791-1867,英國人）是位偉大的實驗科學(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驗是法拉第籠實驗。他坐在金屬籠內(nèi),當(dāng)籠外發(fā)生強大的靜電放電時,他并未感到任何電擊并且驗電器也無任何顯示。他的另一個重要實驗是法拉第桶(Faradayice-pail)實驗，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)。

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）。普利斯特利的友好富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,希望他重做此實驗。1766年,普利斯特利做了富蘭克林提出的實驗,他使空腔金屬容器帶電,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面沒有電荷,而且金屬容器對放于其內(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JohnRobison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)果是多年之后(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于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,利用一根系于短導(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,隨后通過絲線將短導(dǎo)線抽去。再將兩半球移開,并使之放電。然后用當(dāng)時最準(zhǔn)確的木髓球靜電計檢測球形容器上的帶電狀態(tài)。靜電計并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的差值不大于。Cavendish的實驗得出的定量結(jié)果與十三年后(1785年)庫侖（CharleAugustinedeCoulomb，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。是一百年后Maxwell整理Cavendish的大量手稿時才將上述結(jié)果公諸于世的。

最為著名的是法國物理學(xué)家?guī)靵龅难芯抗ぷ?。庫侖曾從事毛發(fā)和金屬絲扭轉(zhuǎn)彈性的研究,這導(dǎo)致他在1777年發(fā)明了后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)系，還介紹了用扭秤測量各種弱力的方法。同年，庫侖響應(yīng)法國科學(xué)院有賞征集研究船用羅盤，他的科學(xué)生涯開始從工程、建筑轉(zhuǎn)向電、磁的研究。1785年庫侖設(shè)計制作了一臺精確的扭秤,用扭秤實驗證明了同號電荷的斥力遵從平方反比律,用振蕩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(rèn),而平方反比定律也就以庫侖的名字來命名了。

3.電磁學(xué)的建立

LuigiGalvani(1737-1798,Bologna大學(xué)教授)發(fā)現(xiàn)了一種不用摩擦就能產(chǎn)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年的一個刮風(fēng)的一天,當(dāng)他用銅鉤懸掛青蛙置于窗外時,他偶然發(fā)現(xiàn)只要風(fēng)吹得青蛙觸及鐵柱時,青蛙也抽搐,他認(rèn)為這種現(xiàn)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,然后用銅線觸及青蛙腿的神經(jīng),發(fā)現(xiàn)青蛙腿抽搐,當(dāng)用鐵絲觸及青蛙的神經(jīng)時不會發(fā)生抽搐。當(dāng)他試驗了多種金屬材料之后,他發(fā)現(xiàn)兩種不同的金屬接觸青蛙時會發(fā)生抽搐。Galvanic把它稱為“生物電”，現(xiàn)在人們都知道當(dāng)兩種不同的金屬接觸后會產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象叫Galvanic現(xiàn)象或接觸電勢。

伏特在1799年仔細(xì)研究了Galvanic現(xiàn)象之后,認(rèn)為青蛙腿的抽搐不過是對于電流的靈敏反應(yīng),而肌肉提供了一定的溶液,因此電流產(chǎn)生的先決條件是兩種不同金屬插在某種溶液中并構(gòu)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(lián)起來做成了一個電流更強的伏打電堆(Voltaicpile)。電壓的單位伏特就是以他的名字命名的。

在電池發(fā)明之后，人們可以獲得連續(xù)的電流，這導(dǎo)致許多的新發(fā)現(xiàn)。在這以前在科學(xué)界仍然普遍認(rèn)為電與磁相互毫無關(guān)系。1820年7月Oersted向科學(xué)界宣布了他發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，打開了電應(yīng)用的新領(lǐng)域。1820年9月安培發(fā)現(xiàn)了圓電流對磁針的作用。1820年10月Biot和Savart發(fā)現(xiàn)了長直電流導(dǎo)線對磁極的作用正比于1/r。1821年安培提出分子電流假說。1822年ThomasJohannSeebeck發(fā)現(xiàn)只要牢固地連接銅線和一根別的金屬(鉍)線的兩端,并維持兩個接頭于不同的溫度,也可獲得微弱的電流,這就是溫差電效應(yīng)。1831年Faraday發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。1833年Faraday證明摩擦起電和Volta電池產(chǎn)生的電相同。1874劍橋的物理教授年Maxwell(JamesClerkMaxwell,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并預(yù)言光是電磁波。1888年HeinrichHertz證實了Maxwell的推論和預(yù)言,從而開辟了電磁學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域──無線電技術(shù)。

到十九世紀(jì)末,電磁學(xué)已發(fā)展成為經(jīng)典物理學(xué)中相當(dāng)完善的一個分支。電磁學(xué)滲透到物理學(xué)的各個領(lǐng)域,電工技術(shù)、電子技術(shù)等得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。從此，改變了人類社會的生產(chǎn)和生活方式。

4.現(xiàn)代靜電技術(shù)的建立

在二十世紀(jì)初，靜電學(xué)也從從實驗和科學(xué)階段走向?qū)嶋H應(yīng)用的階段。但是應(yīng)用面較窄，僅在靜電除塵方面有些應(yīng)用。雖然1824年Hohlfeld第一次演示了靜電收塵實驗。但1907年FrederikG.Cottrell才制造了世界上第一臺實際應(yīng)用的靜電除塵器用于捕集硫酸酸霧。靜電除塵器在控制酸霧排放的成功，迅速導(dǎo)致其在其它工業(yè)煙塵污染源中的應(yīng)用。1922年VandeGraff發(fā)明了實用的靜電起電機。1923年DetroitEdison公司安裝了第一臺靜電除塵器。從此，靜電除塵、靜電噴涂、靜電分離、靜電復(fù)印等取得了一定的地位。為現(xiàn)代靜電技術(shù)的建立奠定了基礎(chǔ)。在二十世紀(jì)中期，隨著工業(yè)生