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物理学 1785

关于电与磁的第一篇论文

夏尔-奥古斯丁·库仑

两个电荷之间的推与拉,与距离的平方成反比——电学有了它的第一条精确定律。

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In depth · the introduction

两点小小的静电,彼此推得有多用力——而当你把它们拉开,这股推力又消退得有多快?1785 年,库仑造了一台足够精微的天平,去称出这个答案。

这个想法

拿气球在头发上蹭一蹭,它就噼啪作响;两个带电的物体,显然会相互推、或相互拉。可究竟有多大?库仑把它钉成了一条干净的规则。这股力取决于两件事:每个物体带多少电荷,以及它们相距多远。电荷越多,力越大。而距离的影响则大得惊人——把两个物体拉到两倍远,力不只是减半,而是降到四分之一;拉到三倍远,降到九分之一。这种陡峭的消退,叫作平方反比定律。

这,正是牛顿一个世纪前为引力找到的同一种形状——而这才是激动人心之处。引力那无声的牵引,与静电那噼啪的火花,两种全然不同的力,竟服从着形式完全相同的数学。

他是怎么测出来的

带电小球之间的力,远远太微弱,普通的秤根本称不出,于是库仑造了他那个时代最灵敏的仪器之一:扭秤。他把一根轻巧的横臂,悬在一根又长又细的银丝下,臂端是一只带电的小球。当他把第二只带电小球凑近,第一只便被推开,银丝随之扭转——推力越强,扭得越多。靠读取这扭转,他便能称量出一股微弱到根本感觉不到的力。他把两球放在某个距离,再到它的一半,再到四分之一,看着力沿着平方反比那标志性的 1、4、16 的节奏不断攀升。

它为何重要

在库仑之前,电只是客厅里的一桩稀奇——火花、电击与噼啪,全无数字可言。他把它变成了一门可测量的科学,配上一条你能拿来计算的定律。这条定律,正是原子得以维系的缘由:电子被这同一股力束缚在原子核上,于是它悄悄托着全部的化学,也托着你拥有的每一节电池、每一块屏幕、每一条电路。而它如此精确地呼应着牛顿的引力定律,仿佛在低语:大自然的诸般力,或许共享着同一套深层的设计。

一幅画面

想想一支蜡烛的光,在黑暗里向四面散开。退到两倍远,烛光看起来只有四分之一亮;退到三倍远,只剩九分之一。同样多的光,在向外行进时,被抹在一个越来越大的球面上。电力随距离的稀薄,方式一模一样,缘由也彼此相关——它从一个电荷出发,伸向它四周的所有空间。这枚共有的「平方反比」指纹,悄悄把电、引力、声与光,串在了一起。

一条线上的两个带电小球:左边是固定的正电荷,右边是第二个电荷。一个滑块把第二个电荷从负调到正——同号时红色箭头向外推,异号时蓝色箭头向内拉。另一个滑块设定距离,一条曲线画出力如何按距离的平方反比衰减。

它的位置

库仑把牛顿为引力建起的那套数学机器(见 newton-1687),拿来一看,发现它同样合用于电。他的定律,成了十九世纪据以建起其余一切的基岩:法拉第的力线(见 faraday-1831)、欧姆的电流定律(见 ohm-1827),直到最后麦克斯韦把电、磁与光统一起来(见 maxwell-1865)——在那里,库仑定律作为四条著名方程中的第一条,再度现身。电荷的单位,为纪念他而命名为「库仑」。

The original document
Original source text
Charles-Augustin de Coulomb · Premier mémoire sur l'électricité et le magnétisme · Histoire de l'Académie Royale des Sciences (1785), pp. 569–577
Coulomb opens by describing his instrument: a torsion balance in which a horizontal needle, charged at one end, hangs from a fine silver wire and is repelled by a second fixed charged ball, so that the electric force can be read off as the twist of the wire.
The fundamental law
La force répulsive de deux petits globes électrisés de la même nature d'électricité est en raison inverse du carré de la distance du centre des deux globes.
In the Assis–Bucciarelli translation: "The repulsive force of two small globes electrified with the same nature of electricity is inversely proportional to the square of the distance between the centers of the two globes."
The measurements
Three tabulated trials follow. Charged so that repulsion holds the needle about 36 degrees from the fixed ball, then disturbed so the balls sit roughly 18 and then about 8.5 degrees apart — halving and then quartering the separation — the wire must be twisted through forces close to the ratio 1 : 4 : 16, the signature of the inverse square.
[ … ]
Coulomb attributes the small departures from the exact law to a slow leakage of electricity from the balls during a run, and states that the attraction between opposite charges follows the same inverse-square form, which he confirms in the following memoir by timing the oscillations of a charged needle.
Paris · 1785