电流体
1746 年,莱顿。彼得·范·米森布鲁克用起电机给瓶中的水充电,一手握住瓶子,一手碰到导线,结果受到极猛烈的一击,他写道:就是给他整个法兰西王国,他也不愿再来第二次。原来电可以像液体一样,积存在一只瓶子里。
富兰克林在费城用一种流体来解释这件事。流体存在于一切物体中。某个物体所含的流体多于正常量,就带正电;少于正常量,就带负电。摩擦并不产生流体,只是使它从一处流到另一处。作为物质的流体随着电子的发现而消失,但正号、负号以及电荷守恒却永远保留了下来。
| 记号 | fluid · electric fire · 度量 Fr |
| 当时如何估量 | 看火花的长度、电击的强度、验电器金箔张开的程度 |
| 当时的假设 | 一种无重量的流体 · 过剩为正,亏缺为负 · 守恒 |
| 引入与废弃 | 杜菲的双流体,1733 · 富兰克林的单流体,1747 · 汤姆孙的电子,1897 |
| 今天的写法 | 电荷 Q,单位库仑 · e = 1.602 176 634·10⁻¹⁹ C(精确值) |
| 典型值 | 15 µC — 莱顿瓶 · 15 C — 闪电 · 1 Fr = 2.08·10⁹ 个电子 |
01 · 定义
正是过剩,负是亏缺
用丝绸摩擦玻璃棒。按富兰克林的说法,流体从丝绸流到了玻璃:玻璃得到过剩,为正;丝绸出现亏缺,为负。一个物体增加多少,另一个就减少多少,总和不变。
正负号是富兰克林随手选定的,而且选得不走运:导线中真正奔跑的是电子,而电子带的是负号。所以教科书里的电流从正极流向负极,电子却迎面逆行。但流体的首要规则是对的:在任何实验中,电荷都守恒。
转移了多少
两个容器——玻璃和丝绸,虚线是流体的正常液位。滑块表示用丝绸摩擦玻璃的次数。虚线之上的蓝色是过剩,为正;虚线之下的红色是亏缺,为负。底部的条带是电荷之和,它始终为零。容器下方是今天的写法:电子从玻璃转移到了丝绸。
给瓶充电,等待火花
主要操作是“转动机器”按钮。左边,玻璃球在摩擦垫上摩擦,蓝色的电流体液滴沿导线流进瓶的内层涂层。电流体越多,电压越高。右边是放电间隙:两个黄铜小球,间距由滑块设定。当电压升到足以击穿空气——约每毫米 3 kV——黄色火花就会蹦出,瓶子随之放空。右侧的屏幕按时间记录电压。时间是真实的。
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02 · 换算
| {n} | {v} | {note} |
富兰克林是这样一个电荷:它在 1 cm 的距离上以 1 达因的力排斥与它相同的电荷。它等于 3.335 64·10⁻¹⁰ C,约二十亿个电子。这个单位于 1941 年以富兰克林的名字命名。
安时是电流为 1 A 时一小时内通过的电荷:3600 C。一块 4000 mA·h 的手机电池储存 14 400 C——按电荷算近乎一千次闪电,但电压只有 4 V。
03 · 数量级
04 · 测量仪器
05 · 书写规则
06 · 相邻单位
07 · 历史部分
人们用手边的东西来度量流体:火花的长度、电击的力度、电池组里瓶子的数目。1785 年,库仑首次给出了力的定律,电荷由此成为带单位的量。在 CGS 中,单位是富兰克林,在 SI 中是库仑,由安培和秒导出。
自 2019 年起,一切都落在了“一滴流体”上:元电荷 e 被精确固定为 1.602 176 634·10⁻¹⁹ C。一库仑约合 6 241 509 074 460 762 607.776 个元电荷,后面的数位想数多少就能数多少。事实证明,流体是有颗粒的。
一滴酸改变果汁的颜色,盐给火焰染色,水被轻敲一下就结冰。下面是 Simetrium 的全部页面,按学科和字母顺序排列。
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