奇妙的電世界
“電”這一詞在西方是由吉爾伯特從希臘文“琥珀”一詞轉意得來,在中國則是從雷閃現象中引出來的。18世紀,電的研究迅速發展起來,電神秘的麵紗被揭開了,人們看到了一個奇妙的電世界。電成為了近代科學史上最偉大的發現之一。而人類對電本質認識的思想曆程,構成了一段傳奇式的科學探索故事。
第一個儲電裝置:萊頓瓶
有關電的記載可追溯到公元前6世紀。早在公元前585年,泰勒斯已記載了用木塊摩擦過的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體,後來又有人發現摩擦過的煤玉也具有這樣的能力。在以後的2000年中,這些現象被看成與磁石吸鐵一樣,屬於物質具有的性質,此外沒有什麼其他重大的發現。在中國,西漢末年已有關於玳能吸細小物體的記載;晉朝(公元3世紀)進一步還有關於摩擦起電引起放電現象的記載,“今人梳頭,解著衣時,有隨梳解結有光者,亦有詫聲。”
琥珀
馬森布洛克的實驗
1600年,吉爾伯特做了一係列摩擦起電實驗,並區分了電現象和磁現象。1660年,蓋利克發明了第一台摩擦起電機,成為18世紀研究靜電的實驗的好幫手。
總體來看,18世紀以前,人們對電的研究是很膚淺也是很盲目的。18世紀以後,電的研究才蓬勃開展起來。
1729年,英國的格雷研究琥珀的電效應是否可傳遞給其他物體時發現導體和絕緣體的區別:金屬可導電,絲綢不導電。並且他第一次使人體帶電。
格雷的實驗引起了法國人迪費的注意。1733年,迪費發現絕緣起來的金屬也可摩擦起電,因此他得出所有物體都可摩擦起電的結論,認為吉爾伯特把物體分為“電的”和“非電的”並沒有事實根據。他把玻璃上產生的電叫做“玻璃的”,琥珀上產生的電與樹脂產生的相同,叫做“樹脂的”。他得到:帶相同電的物體相互排斥;帶不同電的物質彼此吸引。他把電想象為二元流體,當它們結合在一起時彼此中和。
到了18世紀,關於電的本質問題已擺在了物理學家們的麵前,許多科學家都在投入對電的實驗研究。然而,有一件事讓科學家們感到煩惱:實驗中用到的電都是用摩擦起電機提供的,起電機一旦停下來,好不容易得到的電就很快會在空氣中消失。也就是說,隻要你用電,就得不停地搖起電機。這時,人們就想:能否找到一種保存電的方法呢?
這樣,人類的第一個儲電裝置——萊頓瓶就誕生了。它是由荷蘭物理學家馬森布洛克在1745年發明的,因馬森布洛克是萊頓人而得名。然而,發明它卻是出於偶然。
馬森布洛克想做一個使水帶電的實驗。他將一根鐵棒用兩根絲線懸掛在空中,用起電機與鐵棒相連,再用一根銅線從鐵棒引出,浸在一個盛有水的玻璃瓶中,然後開始實驗。
他叫一助手一手握住玻璃瓶,馬森布洛克在旁使勁搖動起電機。這時,他的助手不小心另一隻手碰到鐵棒,猛然感到一陣強烈的打擊,全身顫抖了一下,不禁喊叫起來。
馬森布洛克注意到這種情況後,與助手交換了一下位置,讓助手搖起電機,他自己用右手托住水瓶子,用另一隻手去碰鐵棒,這時他的手臂與身體也產生了一種恐怖感,“像受到一次雷擊那樣”。
他由此得出結論,把帶電體放在玻璃瓶內可以使電保存下來。但是他搞不清楚保持電荷作用的是瓶子還是水。
不久,馬森布洛克對萊頓瓶進行了改進,把玻璃瓶的內壁與外壁都用金屬箔貼上,在萊頓瓶頂蓋上插一根金屬棒,它的上端連接一個金屬球,下端通過金屬鏈與內壁相連。
實際上萊頓瓶是一個普通的電容器,既可儲電也可放電。若把它的外壁接地,而金屬球連接到電荷源上,則在萊頓瓶的內壁和外壁之間會積聚起相當多的電荷,當萊頓瓶放電時可以通過相當大的瞬間電流。
頓萊瓶的發明立即轟動了歐洲,各地紛紛進行各種表演實驗。有人用頓萊瓶來放電殺老鼠,有人用電點燃火藥。最著名的是一次法國做的電擊人表演。700多名修道士在巴黎修道院前手拉手一字排開。法國國王路易十五也被邀參觀。隊首的修士拿著頓萊瓶,隊尾的修士拿著引線,當頓萊瓶放電時,一瞬間700多名修道士全都驚跳了起來,其滑稽的動作給人留下了深刻的印象,也令人深切地感受到了電的威力。這是一次效果極佳的電的知識科普宣傳。
頓萊瓶的發明,為科學界提供了一種貯存電的方法,為進一步研究電學提供了依據,對電學的發展起了重要作用。
解開雷電之謎——富蘭克林和風箏實驗
1746年,英國學者斯賓士到北美大陸的波士頓講學,並進行電學表演。摩擦起電引起紙屑飛舞,頓萊瓶放電當場擊死老母雞等新奇的表演自然引來滿堂喝彩。當然,表演終歸表演,圖的就是熱鬧,表演結束自然是曲終人散,不會留下別的什麼東西。然而,這次表演卻讓一個人對電現象產生了濃厚的興趣,決心投入對電學的研究。
這個人就是本傑明·富蘭克林。也許是命運的安排,他是到波士頓探親偶然碰上這場電學表演的。這一年他已經40歲。許多人懷疑他還能在電學上有所作為。然而,令人驚奇的是,富蘭克林隻用了不到10年的時間,就從一個門外漢成為當時世界上最傑出的電學家之一。
富蘭克林
1706年,富蘭克林出生於波士頓,父母都是英國移民,以製造蠟燭和肥皂為業。他8歲時就讀於文法學校,不到一年,轉讀於寫作和計算學校,10歲輟學。從此再未進學校學習,而靠刻苦自學獲得了豐富的知識。他於12歲到印刷所當學徒,從那時起,長期未脫離印刷工作。
1727年,富蘭克林組織了一個社團,這是1743年創立的美利堅哲學會的前身。1731年,他在費城創辦了北美第一個公共圖書館。曾任費城郵政局長。1751年,創辦費城學院(後來的賓夕法尼亞大學)。1753年,由於他在電學方麵的研究成果,英國皇家學會授予他科普利獎章。同年,他還獲得哈佛大學、耶魯大學的榮譽學位。1756年他當選為英國皇家學會會員,1769年當選為美利堅哲學會會長,一直連任到他去世之日。1772年他還當選為法蘭西科學院的外籍院士。
富蘭克林是美利堅合眾國的創始人之一。1776年與傑斐遜等四人一起組成五人委員會起草了美國《獨立宣言》,1787年5月與華盛頓等人一起製訂了《美國憲法》。1776—1785年出使法國,他的科學聲譽十分有利於他的外交使命,促成了美、法同盟的建立。他積極主張廢除奴隸製度。
富蘭克林對電學的研究是從模仿斯賓士的萊頓瓶實驗開始的。因為在看了斯賓士的表演沒多久,他就收到英國皇家學會會員柯林生給他寄來的一個萊頓瓶。接著,他就開始增加許多新的實驗內容。很快,這位電學領域中的中年“新兵”就取得了重大的成果。
富蘭克林用萊頓瓶做的第一個重要實驗是發現了正電和負電,以及電荷守恒定律。
他通過實驗發現電不是像迪費所說的是兩種,而隻有一種,這就是沒有重量的、到處都有的電流質。電流質帶正電,缺少電流質就表現為負電。即每一物體都帶有一定數量的電流質,過多則表現為樹脂電,不足則表現為玻璃電,並首創用正負號來表示。這同現代電學的失去電子呈正電,得到電子帶負電的觀念已十分接近,隻是符號相反。他認為,電流質各部分之間互相排斥,而兩個物體摩擦時,電流質就從一個物體流向另一個物體,這兩個物體就互相吸引,吸引力同流過的電流質數量成正比。一個物體所含有的電流質是有限的,所以摩擦一定時間後就不會再流出電流質。為什麼起電機不斷摩擦會不斷產生電呢?這是電又從空氣中回來的緣故。他還提出了電荷守恒定律:在任何一個絕緣體係中總電量是一定的。富蘭克林在前人研究的基礎上把電液說(即電素說)係統化了,這種學說雖然解釋不了電流現象,卻比較好地解釋了靜電現象。
富蘭克林對電學的研究結果統一了當時混亂的電學知識,為以後電學的發展打下了基礎。
1747年,富蘭克林對萊頓瓶進行了研究,用實驗證明瓶內金屬箔所帶的正電荷同瓶外金屬箔所帶的負電荷恰好數量相等而電性質相反,實際上是闡明了電容器的原理。
當然,富蘭克林最著名的電學成就是把天電和地電統一了起來,破除了人們對雷電的迷信和恐懼。
長期以來,由於雷電的破壞性太大,人們都有一種恐懼心理。再因為當時技術知識落後,無法解釋這一現象。在古希臘神話中,雷電是宙斯的武器,他手握一把鋼叉,扔向人間就是雷電。經院哲學家德奧圖良引證《聖經》,說閃電是冒出的地獄之火。阿奎那則在《神學大全》中說:“妖魔鬼怪能呼風喚雨,製造電火,掀起風暴,這是不容置疑的信仰。”更有許多人認為雷電是上帝的怒火。而一些有識之士曾試圖用科學的角度解釋雷電的起因,但都未獲成功。學術界當時比較流行的是認為雷電是“氣體爆炸”的觀點。