图6:库仑扭称实验示意图
库仑所用的装置如下:一个玻璃圆缸,在上面盖一块中间有小孔的玻璃板。小孔中装一根玻璃管,在玻璃管的上端装有测定扭转角度的测微计,在管内悬一根银丝并伸进玻璃缸内。悬丝下端系住一个小横杆,小横杆的一端为木质小球A,另一端为平衡小球,使横杆始终处在水平状态。玻璃圆筒上刻有360个刻度,悬丝自由松开时,横杆上小木球A指零。
其中k是静电力常量,约为9X109N·m2/C2。这个常量并不是由库仑计算得来的,而是由一百年后的麦克斯韦根据理论推导得出的。这和引力常数的得出过程有着惊人的相似!在牛顿发现万有引力定律F=GMm/r2时,牛顿本人并不知道引力常数G是多少,直到100多年后,才由英国的科学家卡文迪许(Henry Cavendish,1731-1810)通过类似的扭称实验装置计算出来。
图7:卡文迪许测量万有引力示图
而单个电荷量也不是由库仑测得的,但这并不妨碍库仑的伟大。要知道,由于科技水平和物质条件的限制,在遥远的18世纪,库仑就能用这么巧妙的实验装置,放大并显示了这么微小的力,已经难能可贵了。
电量表示物体所带电荷的多少。实际上1库仑(C)的电量是比较大的,因为电荷的电量非常小,一个电子的电量仅为1.60X10-19 C,1C 就相当于6.25X1018个电子带电量。它和我们前面讲过的电流之间的关系是,电量等于电流强度(单位A)与时间(单位s)的乘积,公式表达为Q=I t。因此1C就表示1A电流在1s内输运的电量。1881年的国际电学大会上,电量的单位被定义为库仑。
自然界中基本相互作用已知有四种:万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。强相互作用力、弱相互作用力是一种短程力,其作用距离不超过原子核线度。在微观世界中,万有引力与强相互作用力、弱相互作用力、电磁力相比是可以忽略不记的,比如电子与质子之间的库仑力(电磁力的一种)约是万有引力的1039倍,而强相互作用力比电磁力还要大。因此,在微观领域,起作用的是强相互作用力、弱相互作用力、电磁力。理论认为,强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用可以统一成一种相互作用。而万有引力定律和库仑定律在形式上的相似性,是否意味着这两种作用的某种内在的质的统一性?这还是一个谜,有待人们去揭示。
图8:四种相互作用示意图
3
电压(U)的单位:伏特(符号V)
图9:伏特电堆原理图