說到靜電球,直到今天,我們在許多城市的青少年宮或者科學館中都能夠看到。靜電球已經成為進行電學科學普及的一個典型道具。
在當靜電球旋轉並與綢布等非金屬材料摩擦時,就會有靜電在球麵聚集。這時,隻要你用手一摸到球,而你又有一頭長發,就會“怒發衝冠”。這就是靜電在發生作用。因為每根頭發都攜帶了相同的電荷,它們之間互相排斥,就發生了每根頭發都豎起來的奇異現象。由於女孩子的頭發較長,這個實驗由女孩子來做效果會更好,正中所展示的那樣。
我們下麵要講的是一個發生在18世紀的帶電男孩的故事。
1.2.1 帶電男孩的故事
在18世紀之前,人們能接觸到的電都是因摩擦而產生的靜電。盡管如此,靜電畢竟通過琥珀被人們所知曉,等待人們進一步去探索。當時沒有人知道,電是否能傳導。第一個注意並研究導電現象的是英國的一位自學成才的民間科學家斯蒂芬·格雷。
斯蒂芬·格雷於1666年在英國肯特州坎特伯雷出生。父親是一位染工和木匠。格雷接受一些基本教育後,就跟他的父親當染衣學徒。但是,他對自然科學,尤其是對天文學感興趣。他雖然沒有上過大學,但是卻很努力,自學並通過實驗和觀測來豐富自己的科學知識。他主要從事電的研究和天文觀察。1690~1716年,他主要從事天文定量和精密觀察日月食、太陽黑點、木星的衛星等。這使得他成為一位熟練的星空觀察者,以至於劍橋三一學院雇他作行星天文台的助手。而他的後半生主要做電的研究工作。由此,他發現了電是可以傳導的。他的發現從而使人們對電的研究前進了一大步。
格雷之所以對電是否能傳導感興趣,是因為他觀察到他的起電管能把他摩擦產生的靜電傳給靠近它的物體。
1729年,格雷用一根玻璃管和幹紙摩擦使它帶電。當他不用時,用木塞將玻璃管的兩端塞住。結果,他發現不僅玻璃管能吸引皮毛,而且塞在兩頭的軟木塞也能吸引細小的物體。由此,他得出結論,電已由玻璃管傳到了木塞。他進一步想,電能傳多遠呢?他把一個象牙球插在一根幾寸長的木棍上,然後把木棍的另一端插到木塞上。他發現,象牙球不僅能吸引或排斥物體,而且力更強。他又把用其他材料放在玻璃管和象牙球之間做試驗,如用鐵、銅線、銅幣、錫、銀等金屬做試驗。結果發現,它們都是可以導電的,是電的傳導體。然後他又拿一些非金屬來試驗,如石頭,以及一些綠的青菜等,結果發現,它們是不導電的,是絕緣體。
後來,格雷用不同長度的銅線放在玻璃管和象牙球之間做試驗,看電能傳多遠。他最長試用了800尺長的銅線,仍然可以傳導電。格雷就這樣發現了電是可以通過某些物體傳導的。
格雷最有名的實驗是他所展示的帶電男孩。1730年4月8日,格雷在一個預先製做好的木架上,用結實的絲繩懸掛著一個體重43斤(1斤=0.5千克)的男孩。很可惜,我們不知道這個小孩的名字,他可能是某修道院資助的一名學生。男孩身著不導電的布料服裝,隻露出頭、手和腳。其中的一隻手握著一根短棍,棍上掛著一個象牙球。男孩的下方放有3塊紙板,分別對著小孩的兩隻手和頭部。每個紙板上放有極薄的銅片。當格雷用經過摩擦帶電的玻璃棒去接觸小孩的腳趾時,小孩的頭發就豎起來,同時身下的紙板上的銅片會向著手和頭升起來,然後落下去,而且銅片更願接近男孩手持短棍上的象牙球。這個實驗證明了電可以傳導,且證明人也是導體。由於用了一位小男孩來做這個實驗,給了世人以深刻的印象。這個小男孩也成為這項著名科學實驗的參與者,是一位真正的科學實驗的無名英雄。
雖然這個小孩是一位無名英雄,但是我們要提醒讀者注意,這是一個絕對不值得模仿的試驗。由於當時使用的是隻有極小能量的靜電,因而沒有對小孩造成威脅和傷害。但是,在電能已經普及的今天,誰都知道包括市電在內的高壓電能對人體有致命危險,完全用不著再做任何這類實驗。隻有36伏以下的電壓,對人體才是安全的。
1.2.2 捕捉電子——把電裝進瓶子裏
我們一定會注意到,格雷的帶電男孩的實驗所用的電流是經過摩擦的玻璃棒產生的。要做關於電的實驗,每次都拿玻璃棒來摩擦,肯定是既麻煩也不方便的,遇上潮濕環境或天氣,聚集的電子很容易跑掉。
如果能夠將電裝進一個容器裏,需要時拿來使用,不是很方便嗎?這個設想並非異想天開,真的就實現了。這就是將電裝進瓶子裏。
在18世紀的歐洲,用電來進行實驗已經成為一種時尚,以致於在大街的地攤上都能買到用來進行電能實驗的裝有電的瓶子。我們隻聽說有電池,還有裝電的瓶子嗎?電能真的能裝到瓶子裏嗎?是的,確實有裝電的瓶子。
1746年,荷蘭萊頓大學的教授慕欣·勃羅克(1692—1761年)在做電學實驗時,無意中把一個帶了電的釘子掉進玻璃瓶裏,他以為要不了多久,鐵釘上所帶的電就會很容易跑掉的,過了一會,他想把釘子取出來,可當他一隻手拿起桌上的瓶子,另一隻手剛碰到釘子時,突然手感到有一種電擊式的振動。這到底是鐵釘上的電沒有跑掉呢,還是自己的神經太過敏呢?於是,他又照著剛才的樣子重複了好幾次,而每次的實驗結果都和第一次一樣,於是他非常高興地得到一個結論:把帶電的物體放在玻璃瓶子裏,電就不會跑掉,就可把電儲存起來。於是,一種可以將靜電儲存起來的瓶子誕生了。這是一個玻璃瓶,瓶裏瓶外分別貼有錫箔,瓶裏的錫箔通過金屬鏈跟金屬棒連接,棒的上端是一個金屬球。由於這個發明是在萊頓大學發明的,所以大家都稱它為萊頓瓶。這也是最初的電容器。