Откуда физики узнали, что существует два вида зарядов?

Соберите коллекцию обвинений. Столько разных способов генерировать заряд, сколько вы можете придумать. Идите вперед и пригласите своих друзей, чтобы они могли подумать еще. (На практике вы создаете статические заряды непосредственно перед их использованием, но все же...)

Теперь проверьте их попарно, чтобы увидеть, притягиваются они друг к другу или отталкиваются. Ведите тщательные записи.

Найдите наибольшее множество взаимно притягивающих и наибольшее множество взаимно отталкивающих друг друга.

Вы обнаружите, что притягивающий набор состоит ровно из двух элементов (хотя вы можете привести много разных примеров этого набора), а отталкивающий набор состоит из половины (или половины!) зарядов, которые вы создали.

Подумайте об этом некоторое время. Это также дает вам ответ на то, как одинаковые заряды реагируют друг на друга (хотя вы можете получить это напрямую, подготовив два одинаковых заряда).

Я согласен с DanielSank, что вопрос задается (полностью, а не частично) об историческом развитии понятия электрического заряда, а не о нашем современном его описании - "откуда они узнали?" а не "откуда мы можем знать?" Последняя (отвечает dmckee) является конечным результатом более чем двухсотлетних наблюдений, экспериментов, теоретизирования и дебатов и игнорирует теории, которые выглядели многообещающе, но были отвергнуты. Он использует задним числом, которого не было у наших предков.

Ваш учебник описывает современную модель электрического заряда и лишь намекает на историческое развитие идей. По сравнению с сегодняшним днем ​​этому мешали мистицизм и суеверия, а также плохая связь между теми немногими людьми, у которых были ресурсы для проведения научных исследований.

Первоначально считалось, что статическое электричество и магнетизм — это одно и то же явление. Оба были известны древним грекам (янтарь = «электрон», черные магниты были в изобилии в Магнезии). Впервые они были выделены Уильямом Гилбертом около 1600 г. («De Magnete» http://www.gutenberg.org/ebooks/33810 ). Он описал статическое электричество как жидкость, выделяющуюся при трении, и классифицировал материалы как «электрические» (те, которые могут быть наэлектризованы) и «неэлектрические» (те, которые не могут). Около 1620 года Никколо Кабео обнаружил, что электричество может не только притягивать, но и отталкивать.

Первый (статический) электрический генератор был изобретен в 1660 году. В 1729 году Стивен Грей открыл электрическую проводимость, переклассифицировав материалы как проводники и непроводники. В 1733 году Шарль Франсуа дю Фэй обнаружил, что электричество существует в двух формах, которые он назвал смолистым (-) и стеклообразным (+). Лейденская банка, оригинальный конденсатор для хранения и высвобождения электрического заряда, была изобретена в 1745 году. Главным достижением Бенджамина Франклина было показать, что атмосферное электричество (молния) и статическое электричество, генерируемое в лаборатории, представляют собой одно и то же явление.

Отчет Дюфея о «двух видах электрической жидкости» был опубликован в Philosophical Transactions в 1733 году. В нем он сформулировал закон, согласно которому «заряды отталкиваются, противоположности притягиваются». Он показал, что все тела, как твердые, так и жидкие, могут быть наэлектризованы. Его классификация самого электричества, а не материалов, которые могут его производить или проводить, была революционной идеей в понимании электричества.
http://rstl.royalsocietypublishing.org/content/38/427-435/258.full.pdf+html?sid=c8642e49-7dd2-488e-b815-f031c1bb6afb

Открытия и идеи Франклина были опубликованы под названием « Эксперименты и наблюдения за электричеством» (1751 г.). Его единственная жидкостная модель соперничала с двумя жидкостными моделями Дюфея и аббата Жана-Антуана Нолле. Он объяснил одну жидкость (отрицательную) отсутствием другой жидкости (положительной). Он ввел несколько электрических терминов, которые мы используем до сих пор, в том числе заряд, проводник, плюс, минус, положительно, отрицательно. https://archive.org/details/experimentsobser00fran

Я думаю, вы правы. По-видимому, существует не так много историй идей в области электричества и магнетизма. Одна возможность (вероятно, доступная только в основных библиотеках):

История электричества: (интеллектуальный рост электричества) от древности до дней Бенджамина Франклина
Парк Бенджамин, Дж. Уили и сыновья, 1898 г. - 605 страниц.

Здесь есть несколько хороших ответов, но я думаю, что хочу немного абстрагироваться от работы Франклина. Поскольку Франклин нашел всего два варианта — «оттолкнуть» и «привлечь», он был вынужден рассматривать только два вида зарядов.

Рассмотрим эксперимент, где стекло-стекло отталкивает, пластик-пластик отталкивает, а стекло-пластик притягивает. Если все стекла одинаковы, стекло должно создавать одинаковый заряд (назовем это «зарядом стекла»). Пластик, очевидно, имеет другой вид заряда (поскольку он отталкивает). так пластик имеет "пластический заряд". Правило для «зарядов» состоит в том, что «одинаковые заряды отталкиваются», а «разные заряды притягиваются».

Так что нам не рассказывают остальную часть истории, но, по-видимому, он проделал это со многими другими материалами и обнаружил, что некоторые отталкивают, а некоторые притягивают. Он мог бы обозначить их все по-разному и добавить дополнительные правила (заряды металла, заряды дерева, заряды воды и т. д.), но если у вас есть только два результата ("притягивать" и "отталкивать"), каждая пара объектов может выполнять только одно из действий. эти две вещи.

Таким образом, он мог бы попробовать тройки объектов, чтобы увидеть, был ли это только бинарный эффект, но поскольку в природе существует только два (электрических) заряда, он бы это выяснил. И, конечно, если бы он беспокоился о величине эффекта, он мог бы разработать множество различных видов зарядов («пластиковые заряды» намного больше, чем «деревянные заряды», но, вероятно, меньше, чем «металлические заряды»), но поскольку он просматривал двоичные данные, он был вынужден рассматривать только двоичные ответы.

Предположим, мы не знаем, сколько типов зарядов существует. Но мы знаем, что есть тела, которые либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга. Теперь проведем эксперимент

1. Мы находим все такие тела, отталкивающие друг друга, и выделяем их в отдельные категории.

2. После обширных экспериментов мы видим, что они принадлежат только двум стопкам.

3. Кроме того, мы также наблюдаем, что объекты в двух разных кучах притягиваются друг к другу.

4. Одну из них мы можем определить как положительную, а другую как отрицательную произвольно.

Среди конкурирующих гипотез должна быть выбрана та, которая содержит наименьшее количество предположений.

Некоторые наэлектризованные объекты отталкивают, некоторые притягивают. Это можно объяснить двумя видами заряда. Ничто из того, что нельзя объяснить двумя зарядами, не может быть объяснено добавлением третьего вида заряда. Итак, мы продолжаем описывать электричество как происходящее в двух видах.