樹莓派、樹莓派之學習、樹莓派之教育

【Sonic π】電聲學導引《二》

今天我們知道的『電荷』electric charge 是許多『次原子粒子』 subatomic  ── 比原子還小的基本粒子 ── 所擁有的一種基本物理『守恆量』。電荷是由於聚積許多個『基本電荷』單位所形成的。這個基本電荷以符號 e 表記，大約帶有的電荷量為 1.602 \times {10}^{-19} 庫侖。『質子』 proton 的電荷量為 +e，『電子』的電荷量為 -e，已知『夸克』 quark 是個例外，它所帶的電荷量是\frac{e}{3} 的整數倍。

在電磁學裡，『電荷』是物質的一種基本物理性質。電荷可以分為兩種，『正電荷』與『負電荷』。一個帶有『正、負』電荷的物質稱為『帶電物質』。兩個帶電物質之間會有『庫倫力』的『交互作用』，『同性電』之間產生『排斥力』，『異性電』之間發生『吸引力』，這個『吸斥力』可以數學上表示為

\pm \frac {1}{4 \pi \epsilon_0} \frac {Q_1 Q_2 (\vec{r_1} - \vec{r_2})}{{| \vec{r_1} - \vec{r_2}|}^3}

，此處 Q_1, Q_2 是兩帶電體電荷量大小，\vec{r_1}, \vec{r_2} 是它們的位置向量，\epsilon_0=8.854\ 187\ 817\ \times 10^{-12} C^2 \ N^{-1} m^{-2}是真空介電常數。電荷決定了帶電物質在電磁方面的物理行為。『 靜止』的帶電物質會產生『電場』，『運動』中的帶電物質會引發『電磁場』。帶電物質也會與電磁場發生『交互作用』稱為『電磁力』， 這是現今所知的『四種基本交互作用』中的一種。

人們對於『電的認識』始於『靜電現象』。西元前六百年左右，古希臘的哲學家泰勒斯 Thales 寫到︰使用貓毛摩擦琥珀以後，琥珀會吸引羽毛一類的輕微物體；假使摩擦時間夠長，甚至會有火花的出現。然後過了二千二百年，直到一六零零年，英國伊莉莎白女王的御醫以及英國皇家科學院物理學家威廉‧吉爾伯特 William Gilbert 開始對『電』與『磁』的現象做了很仔細的研究。他發現琥珀不是唯一可以經由摩擦而產生靜電的物質，並且區分出電與磁不同的屬性。吉爾伯特撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》，書中他創造了一個拉丁語的術語『electricus』 ── 類琥珀性，是從希臘文的『琥珀』ήλεκτρον 引申出的字 ── 意指摩擦後能夠吸引小物體的性質。其後『electric』和『electricity』之英文字，首度出現於一六四六年湯瑪斯‧布朗 Thomas Browne 的著作《Pseudodoxia Epidemica》 Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths 中。一六六零年德國物理學家奧托‧馮‧格里克 Otto von Guericke 據聞發明了第一部『靜電起電機』 electrostatic generator。一七二九年英國科學家史蒂芬‧戈瑞 Stephen Gray 發現了『電』可以『傳導』 ── 電荷可以從一個物質傳導至另外一個物質 ──。也發現只有一些物質能夠傳導電荷，其中以『金屬』的性能最為優良。自此，科學家不再認為能夠產生電荷的物體與所產生的電荷是不可分離的，進而認為電荷是一種獨立存在的物質，當時被稱之為『電流體』 electric fluid 。一七三三年法國化學家查爾斯‧琽‧費 Charles du Fay 發現電可以分為兩類︰『玻璃電』和『琥珀電』 ── 當玻璃與絲巾相摩擦時，玻璃會生成玻璃電；當琥珀與毛皮相摩擦時，琥珀會生成琥珀電 ──，這兩種電會彼此『相互抵銷』，這就是所謂的電之『雙流體』理論。簡單的使用一根帶電絲線，就可以探知物質到底是帶有玻璃電還是琥珀電。由於擁有玻璃電的物質會排斥此帶電絲線；而擁有琥珀電的物質卻會吸引帶電絲線。

250px-Leyden_jar_cutaway

150px-Leyden_jar_showing_construction

90px-Dissectible_Leyden_jar

benjamin-franklin-and-his-son-performed-an-experiment-on-atmospheric

BenFranklin_Waterspout_1806

200px-Bcoulomb

CoulombLaw

200px-CoulombsLaw.svg

 

440px-Electrostatic_induction.svg

或許在一七四五年代，『電』是一種『時髦』的玩意兒，是科學的『前衛』概念。以至於德國的克拉斯特主教 Ewald Georg von Kleist 也著手於研究『如何儲存』大量的電荷，他將插著鐵釘的玻璃瓶接到了靜電產生器，偶然發現了如此可以暫時的儲存電荷，並且之後還可以再將其傳導出來，這成為了有記錄的第一個『電容瓶』。不過這個電容瓶並不是非常的有名，也許當作一項新的研究成果，那時的技術還不夠成熟。直到一七四六年，一位來自荷蘭的物理學家彼得‧范‧穆森布羅克 Pieter van Musschenbroek，當年他在『萊頓』大學任教時製作出了一個和克拉斯特主教的電容瓶『構造』和『原理』十分相似但是『形狀』不太一樣『電容器』。由於穆森布羅克所製作出來的電容器比電容瓶更加容易攜帶，且易於與其他的機械組裝，並能隨著不同的狀況作調整以適應不同的使用環境。此後電容器開始廣為流傳，因而『萊頓瓶』Leyden jar 之名也就如此而來。當時人們普遍都相信萊頓瓶中的電荷是儲存在瓶內的水裡，並不是在瓶身的玻璃上，一直要等到美國的班傑明‧富蘭克林證明了其電荷確實是儲存在玻璃上的！！

那一位放風箏追雷電又發明『避雷針』的美國著名政治家與科學家班傑明‧富蘭克林 Benjamin Franklin，是一位走在電學最前端的專家，他認為電的單流體理論比較正確。富蘭克林『想像』電儲存於所有物質中，並且通常處於『平衡狀態』，然而摩擦動作會使得電從一個物體流動至另一個物體。因而他認為累積的電是儲存於萊頓瓶的玻璃中，是用絲巾摩擦玻璃而使得電從絲巾流動至玻璃，這流動形成了『電流』。他假想電量『低於平衡』的物體載有『負的電量』，電量『高於平衡』的物體攜載『正的電量』。富蘭克林也『任意』指定『玻璃電為正電』，具有多餘的電；而『琥珀電為負電』，缺少了不足的電。與他同時期的英國科學家威廉‧沃森 William Watson 也得到了同樣的結論。一七四七年，富 蘭克林假設在一個『孤立系統』內，總電荷量是恆定的，這稱為『電荷守恆定律』。富蘭克林一時的任意『指定』，造成了今天『電流的方向』是『正電荷』從『正極流向負極』的『約定』！以至於說到事實上是『電子』的流動時，反而還得用『電子流』的了！！

一八七五年法國物理學家夏爾‧奧古斯丁‧德‧庫侖 Charles Augustin de Coulomb 以及英國的自然哲學家約瑟夫‧普利斯特里 Joseph Priestley 各自獨立發明了『扭秤』torsion balance，其中的『扭轉簧』 torsion spring 的『扭轉角』\theta 與『扭力』\tau 滿足『虎克定律』

\tau = -\kappa \theta

，藉著扭秤，庫侖證實了普利斯特里的基本定律：載有電荷的兩個物體之間的作用力與兩物體『電荷量乘積』成正比，和兩者之間的『距離平方』成反比。這開啟了定量研究『靜電學』 Electrostatics 的時代。之後『電子』的發現以及『原子模型』的歷史，可參見於《【Sonic π】聲波之傳播原理︰共振篇《一》》一文。

大自然中與日常生活裡，有許多靜電現象的例子，像是塑膠袋與手之間的吸引、冬天脫毛衣的劈啪聲、彷彿是自發性的穀倉爆炸與用手接觸電子元件可能的損毀和影印機的運作原理等等。

當一個物體的表面接觸到另一物體的表面時，電荷集結於這物體表面而成為『靜電』。雖然『電荷交換』是因為兩個表面的『接觸』又『分開』而產生的，只有當其中一個表面的『電阻』很高時，此時『電流』變的很小，『電荷交換』的『效應』才容易被注意到。一個物體內部的電荷，如果受到物體以外的電荷的影響，因而引發自身電荷的重新分佈，這個現象稱之為『電荷感應』。

Balloons and Static Electricity

點擊啟動

假使說將一個帶著負電荷的甲物體移近另一個乙物體時，乙物體內部距離甲物體較近的區域會因『電荷』間的『吸斥力』作用帶有較多的正電荷，於是會產生兩個物體間『吸引的現象』 。

就讓我們試著用 PhET 的『氣球』感受一下『靜電力』吧！！