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來電的前世今生

2016-8-23 01:35| 發布者: admin| 查看: 220| 評論: 0

遠在2500 多年前,古希臘有一個叫塞利斯的人發現,用毛皮去摩擦琥珀(一種天然寶石),這塊被摩擦過的琥珀能吸引一些像絨毛、麥稈等一些輕小的東西。那時候的人們無法解釋這種現象,只好說:琥珀中存在一種特殊神力。他們把這種特殊神力稱作。這個詞就是從希臘文的琥珀這個詞演變而來的。

  公元1600 年,英國醫生吉爾伯特(15441603)發現用摩擦的方法不但可以使琥珀具有吸引輕小物體的性質,而且還可以使不少別的物體如玻璃棒、硫磺、瓷、松香等具有吸引輕小物體的性質。他把這種吸引力稱為電力

吉爾伯特是當時英國女王伊麗莎白一世的御醫,也是一位有代表性的科學家。他受過醫學教育,后定居倫敦,于1573 年開始做醫生,為病人治病。由于他的醫術比較高明,被召進皇宮,于1601 年做了英國女王伊麗莎白一世的保健醫生。女王逝世后,他又被任命為詹姆斯一世國王的醫生。在他行醫期間,他又去從事物理學方面的研究。他做了多年的實驗,發現了電力電吸引等許多現象,并最先使用了電力電吸引等專用術語,因此許多人稱他是電學研究之父。他的主要著作《論磁石、磁體和地球大磁石》全面論述了對磁體和電吸引的全部研究工作。

  在吉爾伯特之后的200 年中,又有很多人做過多次試驗,不斷地積累對電的現象的認識。其中,1734 年法國人杜伐,做了一些用玻璃棒與絲綢摩擦、松香與毛皮摩擦的試驗,在這些試驗中,他發現有兩種不同性質的電,一種是把玻璃捧用絲綢摩擦,玻璃棒能吸起像紙屑、木屑之類的輕小物體,這種吸引力稱為帶電現象。他將這根玻璃棒用絲線懸掛起來,再將另一根與絲綢摩擦過的玻璃棒靠近它,發現這兩根棒相互排斥,于是他就把玻璃棒帶的電,稱為玻璃電(即正電);另一種是把松香用毛皮摩擦也產生帶電現象,把用毛皮摩擦過的松香靠近用絲綢摩擦過的玻璃棒,發現這兩者相互吸引,于是他稱松香所帶的電為“松香電”(即負電)。這就是人們所講的同性電相互排斥、異性電相互吸引的現象。杜伐發現了這些現象,也作了最早的理論解釋。盡管這種解釋很粗淺、帶點形而上學的性質,但畢竟比不想去解釋為好。

  此后,觀看電的實驗成為人們的一種娛樂。在歐洲幾乎每一個國家都有一大批人以進行這種帶電的實驗和表演這些實驗讓人們觀賞,賺錢謀生。1745年,普魯士(德國的前身)的一位副主教克萊斯特做了一個很有趣的實驗。他利用一根導線將摩擦起電裝置上的電引向裝有鐵釘的玻璃瓶,使瓶子充電,當他的手觸及鐵釘時,突然感到猛烈的一擊。這是一次放電現象,鐵釘上聚集的電穿過人體(人體就是一種導體),使人感受到強烈的電的震動。

  1746 年,荷蘭人萊頓在上述實驗的啟發下做成了萊頓瓶。什么是萊頓瓶?萊頓瓶是一個玻璃瓶,瓶的外面和瓶內均貼上像紙一樣的銀箔,把摩擦起電裝置所產生的電用導線引到瓶內的銀箔上面,而把瓶外壁的銀箔接地,這樣就可以使電在瓶內聚集起來。如果用一根導線把瓶內的銀箔和瓶外壁的銀箔連接起來,則產生放電現象,引起電火花,發生響聲,并伴隨著一種氣味。

  古希臘的一位科學家亞里士多德在所著的《動物志》一書中曾描述過一種能夠放電擊斃小動物的電鰩。18 世紀中葉有人把這種魚帶到英國,引起當時生物學家很大的興趣,當人用手去碰這種魚的頭部或身體的下部時,便會感到猛烈的一擊(即電擊),于是人們就想起了剛剛發明不久的萊頓瓶,它就像這種魚一樣,只要用導線把瓶內外的銀箔連接起來,就可以放電、引起電擊。此后,這種電擊來自放電,便沒有人懷疑了。盡管18 世紀初,人們已經發明了驗電器,可以判斷一個物體是否帶電,但在當時人們仍往往用自己的身體去檢驗電是否存在,甚至有不少人以能受一次電擊為榮。

  18 世紀中葉,在大洋彼岸的美國,大電學家富蘭克林又做了多次實驗,進一步揭示了電的性質,并提出了電流這一術語。富蘭克林是第一個享有世界聲譽的美國科學家,盡管他取得科學上的成就的時候美國還沒有獨立。他同時又是著名的社會活動家和政治家。在美國進行獨立戰爭時期,他是積極的支持者和參加者。他是美國資產階級民主革命時期著名綱領性文件《獨立宣言》的三個起草人之一。他是1781 年美國和英國談判的代表。他之所以取得這么大的成就,主要是靠自學得來的。他家境貧寒,幼年曾做過印刷業的學徒工人,盡管學徒工待遇低,工作勞累,但他卻是一個“手里有一點小錢都花在書上”的人。他只要有一點空余時間就讀書,在30 歲以前就已熟讀了有名的物理學家波義爾和牛頓的著作。由于他勤奮學習,雖然沒有進大學受高等教育,卻在科學領域里有所作為,并獲得了許多有名大學的榮譽學位。

  他于1753 年先后得到美國歷史最悠久的大學——哈佛大學和耶魯大學的榮譽學位。他還是新大陸第一個長期性的科學團體——美國哲學會的主要奠基人。

  富蘭克林的第一個重大貢獻,就是發現了“電流”。他在1747 年給朋友的一封信中提出關于電的單流說。他認為電是一種沒有重量的流體,存在于所有的物體之中。如果一個物體得到了比它正常的份量更多的電,它就被稱之為帶正電(或陽電);如果一個物體少于它正常份量的電,它就被稱之為帶負電(或陰電)。根據富蘭克林的說法,經常移動的是正電。

  所謂放電就是正電流向負電的過程。富蘭克林的這個說法,在當時確實能夠比較圓滿地解釋一些電的現象,但對于電的本質的認識與我們現在的看法卻相反。現在的看法認為:兩個物體互相摩擦的時候,容易移動的恰恰是帶負電的電子,如果它們是導體,由于人本身也是導體,過剩的電子或短缺的電子很容易從導體(人體)傳到地下或得到補償,因而摩擦后不顯電性。如果互相摩擦的物體都是絕緣體(即不導電的物體),經過摩擦,電子從一方移向另一方,于是雙方就都帶電了,一方帶正電,一方帶負電,二者電性相反,電量相同。

  富蘭克林對電學的另一重大貢獻,就是通過1752 年著名的風箏實驗,捕捉天電,證明天空的閃電和地面上的電是一回事。他用金屬絲把一個很大的風箏放到云層里去。金屬絲的下端接了一段繩子,另外金屬絲上還掛了一串鑰匙。當時富蘭克林一手拉住繩子,用另一手輕輕觸及鑰匙。于是他立即感到一陣猛烈的沖擊(電擊),同時還看到手指和鑰匙之間產生了小火花。

  這個實驗表明:被雨水濕透了的風箏的金屬線變成了導體,把空中閃電的電荷引到手指與鑰匙之間。這在當時是一件轟動一時的大事。很多人都在重復富蘭克林的這一實驗。為什么富蘭克林的這一實驗會引起這樣的轟動?因為當時社會上對于雷電有一種恐懼心理,大多數人認為雷電是“上帝之火”,是天神發怒的表現。富蘭克林在美國費城的實驗驚動了教會,他們斥責他冒犯天威,是對上帝和雷公的大逆不道。然而,他仍然堅持不懈,而且在一年后制造出世界上第一個避雷針;終于制服了天電。由于教堂高高聳立的塔尖常被雷電所擊,教會為了保護教堂,最終也不得不采用了這個“冒犯天威”的裝置。以前電一直被人們當作一種娛樂手段,從此總算找到了實際的應用價值。

  富蘭克林的這個實驗,不僅在美國有很大的影響,而且影響到世界其他國家。1753 年,俄國科學家里希曼在屋頂上裝了一根導線通到實驗室,想用驗電器來觀察雷電現象。那時正逢雷雨交加,一個火球從上面傳了下來,結果里希曼遭雷擊而死亡。因此,富蘭克林的風箏實驗的影響,足以使每個電學家避免這種無謂的犧牲。

  電流現象的研究,對于人們深入研究電學和電磁現象有著重要的意義。

  現在我們知道,電流就是電荷向一定方向的移動。在金屬導體中的電流是靠自由電子的運動來形成的。電流通過電路時,會產生許多新的效應。如電流通過電燈的時候,電燈就發熱發光;電流通過電風扇的時候,電風扇就能轉動。電流可使蓄電池充電;可帶動電伽機作功??。這些現象表明,電流也是一種能量傳輸過程,電能可以通過各種特定的器件轉化為其他形式的能量。

  電流可存在于固體、液體或氣體中。雷電現象,就是人們最早注意到大氣中的電流現象。富蘭克林傳奇式的風箏實驗使人們了解到雷電和摩擦帶電的關系。隨著避雷針的發明,逐漸消除了人們對雷電的恐懼心理。但在18世紀末之前,人們對電流現象的認識也僅到此為止,基本上仍然是一無所知。

  那么,最早開始電流研究的是哪一位科學家呢?意大利的解剖學教授伽伐尼(17371798)被人們認為是最早開始電流研究的人。據記載,伽伐尼的發現是一次偶然性的發現。1780 年的一次極為普通的閃電現象,引起了他的思考。這次閃電使伽伐尼解剖室內桌子上與鉗子和鑷子環接觸的一只青蛙腿發生痙攣現象。嚴謹的科學態度使他沒有放棄對這個偶然的奇怪現象的研究,他花費了整整12 年的時間,研究像青蛙腿這種肌肉運動中的電氣作用。最后,他發現如果使神經和肌肉同兩種不同的金屬(例如銅絲和鐵絲)接觸,青蛙腿就會發生痙攣。這種現象是在一種電流回路中產生的現象。在這里,蛙腿的肌肉是導體回路的一部分,肌肉和兩種不同的金屬絲構成了世界上第一個電流回路。肌肉的痙攣表明有電流通過,起到了電流指示器的作用。根據這種現象,他還制成了“伽伐尼電池”。但是,伽伐尼對這種電流現象的產生原因仍然未能回答,他認為蛙腿的痙攣現象是“動物電”的表現,由金屬絲構成的回路只是一個放電回路。

  伽伐尼的看法在當時的科學界引起了巨大的反響,人們自然地聯想到海洋當中的一些帶電的魚,如電鰻、電,人們在海中如果被這種魚觸及身體,也會有電擊的感覺。這說明在一些動物體內也貯存著電。但是,另一位意大利科學家伏打(17451827)不同意伽伐尼的看法,他認為電存在于金屬之中,而不是存在于肌肉中,他于1782 年在寫給朋友的信中說:關于所謂動物電,您是怎樣考慮的呢?我相信一切作用都是由于金屬與某種潮濕的東西相接觸才發生的。兩種明顯不同的意見引起了科學界的爭論,并使科學界分成兩大派,他們的論戰十分激烈,每一方都指責對方是異端邪說,標榜自己觀點的正確。爭論的結果是伏打的見解占了優勢。但很可惜,因為伽伐尼于1798 年就因病去世了,他再也不能知道這場爭論的勝負,再也聽不到爭論的結果了。

  1800 年春季,即19 世紀第一個年頭的春天,有關電流起因的爭論有了進一步的突破。怎么會引起這種突破呢?這又要從伏打說起,伏打在他自己看法的指導下發明了著名的伏打電池。這種電池是由一系列圓形鋅片和銀片相互交迭而成的裝置,在每一對銀片和鋅片之間,用一種在鹽水或其他導電溶液中浸過的紙板隔開。銀片和鋅片是兩種不同的金屬,鹽水或其他導電溶液作為電解液,它們構成了電流回路。現在看來,這只是一種比較原始的電池,是由很多鋅電池連接而成為電池組。但在當時的歷史時期,伏打能發明這種電池確實是很不容易的。

  伏打電池可以說是伏打贈給19 世紀的寶貴禮物。他的這個發明為電流效應的應用開創了前景,并很快成為進行電磁學和化學研究的有力工具。由此,伏打和與他同時代的別的國家的不少科學家,得出了各種有趣的結果,當時的報紙和雜志上不時登出各種各樣新發現的消息。有了電池,英國的化學家戴維(17781829)才有可能奠定電離理論基礎,并且分離出鈉、鉀、鍶、 硼、鈣、氯、氟、碘等元素,促進了化學的發展,并進而促使他的助手法拉第建立了電解定律。

伏打雖然發明了電池裝置,但并不了解這種裝置的道理。戴維闡明了這種裝置的道理,指出這類電池的電流來自化學作用。但不管怎樣,伏打的發明使人們第一次獲得了可以人為控制的持續電流,為今后電流現象的研究提供了物質基礎。伏打本人由于這項貢獻,被許多國家的科學院選為院士,據說1801 年法國的拿破侖曾親臨現場觀看了伏打的實驗表演,并授予他一枚特制的金質獎章,以表彰他發現電流的貢獻。

法拉第

邁克爾·法拉第(Michael Faraday,1791—1867)19世紀電磁學領域中最偉大的實驗物理學家.他于1791922日生于倫敦附近的紐因格頓,父親是鐵匠.由于家境貧苦,他只在7歲到9歲讀過兩年小學.12歲當報童,13歲在一家書店當了裝訂書的學徒.他喜歡讀書,利用在書店的條件,讀了許多科學書籍,并動手做了一些簡單的化學實驗.

1812年秋,法拉第有機會聽了著名化學家戴維的四次講演,激起對科學研究的極大興趣.他把戴維的講演精心整理并附上插圖后寄給戴維,希望戴維幫助他實現科學研究的愿望.18133月,戴維推薦法拉第到皇家研究院實驗室作了自己的助理實驗員.181310月,法拉第跟隨戴維到歐洲大陸進行學術考察18個月.在這期間他有機會參觀了各國科學家的實驗室,結交了安培、蓋·呂薩克等著名科學家,了解了他們的科學研究方法.回到英國后,法拉第就開始了獨立的研究工作,并于1816年發表了第一篇化學論文,以后又接連發表了幾篇.

1820年奧斯特發現電流的磁效應,受到科學界的關注,促進了科學的發展.1821年英國《哲學年鑒》的主編約請戴維撰寫一篇文章,評述奧斯特發現以來電磁學實驗的理論發展概況.戴維把這一工作交給了法拉第.法拉第在收集資料的過程中,對電磁現象的研究產生了極大的熱情,并開始轉向電磁學的研究.他仔細地分析了電流的磁效應等現象,認為既然電流能產生磁,磁能否產生電呢?1822年他在日記中寫下了自己的思想:磁能轉化成電.他在這方面進行了系統的研究.起初,他試圖用強磁鐵靠近閉合導線或用強電流使另一閉合導線中產生電流,做了大量的實驗,都失敗了.經過歷時十年的失敗、再試驗,直到1831829日才取得成功.他接連又做了幾十個這類實驗.18311124日的論文中,他把產生感應電流的情況概括成五類:變化著的電流;變化著的磁場;運動的恒定電流;運動的磁場;在磁場中運動的導體.他指出:感應電流與原電流的變化有關,而不是與原電流本身有關.他將這一現象與導體上的靜電感應類比,把它取名為電磁感應.為了解釋電磁感應現象,法拉第曾提出過電張力的概念.后來在考慮了電磁感應的各種情況后,認為可以把感應電流的產生歸因于導體切割磁力線.在電磁感應現象發現二十年后,直到1851年才得出了電磁感應定律.

1833年到1834年,法拉第從實驗得出了電解定律,這是電荷不連續性的最早的有力證據.

法拉第的另一貢獻是提出了場的概念.他反對超距作用的說法,設想帶電體、磁體周圍空間存在一種物質,起到傳遞電、磁力的作用,他把這種物質稱為電場、磁場.1852年,他引入了電力線(即電場線)、磁力線(即磁感線)的概念,并用鐵粉顯示了磁棒周圍的磁力線形狀.場的概念和力線的模型,對當時的傳統觀念是一個重大的突破.

法拉第從近距作用的物理圖景出發,還預見了電、磁作用傳播的波動性和它們傳播的非瞬時性.他在1832312日寫給英國皇家學會的一封密封信中,信封上寫著現在應當收藏在皇家學會檔案館里的一些新觀點,這封信直到1938年才啟封公布,信中法拉第說明了他的上述新觀點.表現了法拉第深邃的物理洞察力和深刻的物理思想.

法拉第把他做過的實驗整理成《電學實驗研究》一書,書中收集了三千多個條目,詳細記述了他做過的實驗和結論,是一本珍貴的科學文獻.

法拉第是靠自學成才的科學家,在科學的征途上辛勤奮斗半個多世紀,不求名利.1825年,他參與冶煉不銹鋼材和折光性能良好的重冕玻璃工作,不少公司和廠家出重金聘請法拉第為他們的技術顧問.面對15萬鎊的財富和沒有報酬的學問,法拉第選擇了后者.1851年,法拉第被一致推選為英國皇家學會會長,他也堅決推辭掉了這個職務.把全身心獻給了科學研究事業,終生過著清貧的日子.

1855年他從皇家學院退休.1867825日在倫敦去世.遵照他一輩子當一個平凡的邁克爾·法拉第的意愿,遺體被安葬在海格特公墓.為了紀念他,用他的名字命名電容的單位——法拉.


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