| 物理學史——電和磁 |
| 作者：未知 文章來源：轉載 點擊數： 1248 更新時間：2008-1-31 |
( 一 ) 古代對電和磁現象的觀察和應用 古希臘哲學家泰利斯曾敘述過織衣者所觀察到的現象，那就是用毛織物摩擦過的玻珀能夠吸引某些輕的物體。 在古 中國宋代靜磁學取得當時世界上的最好成就。沈括(公元1033 — 1097)和寇宗爽都講到了人工磁化材料的方法，即將鐵針與磁石摩擦即可獲得磁性。沈括在《夢溪筆談》(卷廿四)中寫道：“方家以磁石摩鐵峰，則能指南，然常微偏東，不全南也?！边@是世界上最早的關于地磁偏角的文字記載。 對世界文明有重要影響的指南針是中國古代人的發明。沈括指出了4 種指南針的安放辦法，即水浮水、指甲法、碗唇法、絲懸法。 中國還是最早將指南針用于航海的國家。南宋后，羅盤在航海中普遍使用，約 12 世紀13世紀初中國指南針由海路傳入阿拉伯，又由阿拉伯傳到歐洲。 羅盤傳到歐洲，正值13世紀歐洲的工藝商業等各方面都取得了重大進步的好時候，當時還掀起了營造教堂和興建大學的高潮。不少學者崇尚古希臘的科學著作，紛紛把古代科學著作翻譯出來，而且還相應地興起了一股短暫的實驗風氣。當時牛津大學的著名學者羅吉爾·培根認為：“過去那種靠有名無實的權威和傳統的習慣來發表自己意見的人，算不得真正的學者”，真正的學者“應當靠實驗來弄懂自然科學、醫學、煉金術和天下地下的一切事物”。在培根這種崇高的實驗思想影響下，他的朋友皮特寫了一本小冊子，記述了他自己在磁力實驗中的發現。例如，異性磁極相吸，同性磁極相斥；一根磁針斷為兩半時，每一半又成為一根單獨完整的有兩極的小磁針。 然而，由培根倡導的這股實驗風氣，遭到教廷的強烈反對，很快被壓了下去，這以后一段長時期內，電磁現象的研究沒有什么起色。 ( 二 ) 對電、磁現象研究的開始 英國人馬里古特對磁的實驗工作，是關于磁現象研究工作的萌芽。 一直到了 16 世紀，歐洲工藝、航海、軍工在各國普遍得到新的發展，對此起了特別重大推動作用的是中國的火藥、造紙術、印刷術和指南針等四大發明的傳入。 1581 年英國倫敦的一名退休海員羅伯特·諾曼，寫了一本題為《新奇的吸引力》的小冊子，談到他在關于磁力實驗中的重要發現。他用一根繩子把磁針吊在空中，發現磁針指向北方，且與水平面成一傾角，這就是磁傾角，這已經比中國宋代曾公亮在磁化鐵片時利用磁傾角獲得最佳磁性晚了整整 500 年！然而中國卻仍處在封建社會的緩慢發展階段，科學上的領先地位逐漸讓位于歐洲了。羅伯特·諾曼在書中還講述了他把一根磁針插入軟木上，將這軟木浮在水面僅發現磁針朝著南北方向轉動，并不沿著向南方向或向北方向移動，即磁力不是“運動力 ”，而是一種“定向力”。現在我們知道，磁針受到的是一個力矩的作用，引起轉動，而合力為零。第一個從理論高度來研究電和磁，從而提出了比較系統的初步理論的人是英國的吉爾伯特(1544— 1603) ，在16世紀末發表的《論磁石》一書中記述了他對天然磁石和地球磁場的研究。其中著名的是“小地球”實驗。他在馬里古特的磁石球實驗的啟發下，把一塊大天然磁石 磨制成一個大磁石球，用小鐵絲制成小磁針放在磁石球上面，觀察小磁針的取向。他發現，在天然磁石球的作用下，小磁針的行為與地球上的指南針極為相似。由此吉爾伯特聯想到地球可能是一塊大磁石，它與指針之間的同極相斥、異極相吸的作用引起了指南針的朝南、北方向的偏轉。他還對磁傾角現象進行解釋，認為這是由于指南針在地球的不同緯度上受力的方向與該緯度的水平方向有一個夾角的緣故。現在人類已認識到：地理上的南北極與地磁的南、北極并不重合，磁針是指向地磁的南極或北極的，而我們所說的南北方向是地理上的南北極之間的方向，這兩個走向之間存在一個依不同緯度而有所不同的夾角，在同一緯度也會因地球磁場的變化而會發生這個夾角的改變。這才是磁傾角存在的原因。 在認定地球是一塊大磁石球之后，吉爾伯特設想太陽也是一塊磁石，它對行星發出磁性引力致使行星繞太陽旋轉。他認為磁力的大小隨物體間的距離增大而減小，所以離太陽越遠的行星運動越慢。對天體運動的這種解釋固然是一種不正確的推測，但對開普勒等人研究此問題給予了很好的啟示。 在研究靜磁現象的同時，人們對靜電現象進行了研究。從吉爾伯特起，首先研究了摩擦起電的現象。他從琥珀經摩擦后會吸引輕小物體的現象中受到啟發，特地收集許多材料，如金剛石、藍寶石、硫磺、樹脂、明礬等，吉爾伯特對這些材料一一作摩擦實驗，他發現這些材料經摩擦后全都有吸引輕小物體的能力。吉爾伯特為這種作用與磁作用加以區別，他引入一個形容詞——“電的 (electric) ”。材料經摩擦后具有這種性能叫“電的作用”。 吉爾伯特從對電磁現象的實驗研究形成了他的關于電磁現象的初步理論： (1) 磁性質是磁體本身具備的一種性質，而電性質是需要通過摩擦手段激發才產生。 (2) 磁石只以可以磁化的物質才有力的作用，而帶電體可以吸引任何輕小物體。 (3) 磁體之間的作用不受中間的紙片、亞麻布等物體的影響，而帶電體之間的作用要受到中間布片的影響。當帶電體浸在水中時，電力的作用甚至可以消失，而磁體的磁力不會消失。 (4) 磁力是一種定向力，而電力是一種移動力。 (5) 磁力既有吸引力也有排斥力，而電力只有吸引力一種。電和磁是兩種截然無關的現象。 顯然最后這條論斷是錯誤的，并在很長時間里影響了后人的認識。 1600 年出版的這部《論磁石》名著，是英國有史以來第一部重要的物理學著作，伽利略曾說它“偉大到令人妒忌”。 ( 三 ) 電荷的獲得及萊頓瓶的產生 1. 摩擦起電機的出現 人工簡單摩擦起電來使物體帶電是很有局限性的，要對電現象作進一步研究，必須用有效的方法來獲得較多的電荷及電流。 大約在1660年，德國的一位釀酒商和工程師格里凱(1622 — 1686)發明了第一臺能產生大量電流的摩擦起電機。他用一個球狀玻璃瓶盛滿粉末狀的硫橫，用火燒玻璃瓶直至硫磺全部熔化，等其冷下來硫磺成球狀再將玻璃瓶打掉，在硫磺上個一孔并將其支在一根軸上，使硫磺球可以自由轉動。格里凱在1672年描述了這架儀器的構造及其使用情況。起電時，他用一只手握住搖柄把，使硫磺球不停轉動，另一只手緊貼在硫磺球面上摩擦，結果使人體和硫磺球都帶上了電荷。1709 年，德國人豪克斯比(1688 — 1763)制造了一臺用抽去空氣的玻璃球代替硫磺球的起電機，并在實驗中發現，玻璃球由摩擦帶電時，產生了類似磷光的現象。1750 年還有人用巨大的飛輪帶動很大的玻璃柱轉動，通過皮帶與玻璃柱摩擦起電。 在英國卡爾特修道院領養老金過活的格雷(約1675—1736)，發現摩擦的玻璃管上所帶的電荷可以轉移到木塞上，他用一根帶有骨質小球的棍子插到帶電的木塞中，骨質小球也帶上了電，格雷還用一條長為24米的繩子將電荷傳送過去。他還發現導體和絕緣體的區別，并把物體分成兩類：一種是非電性物體，但卻可以傳電；另一類是電性物體，然而不能傳電。 法國王家花園里的一位管家杜菲(1698—1739) 對格雷的實驗產生了極大興趣，他也作了不少實驗，取得了一些重要的發現。1733年杜菲發現絕緣起來的金屬也可以通過摩擦的辦法起電，從而否定了吉爾伯特、格雷等人把物體分為“電的”和“非電的”的論斷，得出了所有物體都可以摩擦起電的結論。 2. 萊頓瓶的產生 荷蘭萊頓大學的物理學教授穆欣布羅克(1692—1761)和德國的克萊斯特(1700 — 1784)分別發現，物體好不容易獲得的電往往在空氣中逐漸消失。為了尋找一種保存電的方法，穆欣布羅克于1746年做了如下的實驗：他將一槍管懸掛在空中，用起電機與槍管相連，另用一根銅線一端與槍管相連，另一端浸入盛有水的玻璃瓶中，當他的助手一只手握著玻璃瓶，另一只手不小心觸到槍管上，助手因猛然感到一次強烈的電擊而喊了起來，穆欣布羅克替下助手親自體驗了給他帶來極大恐怖感覺的實驗。這使人們認識到：人體作導體參與放電過程的瞬間，電會使人感到一種可怕的突然震動和打擊，這就是常說的電擊(或叫電震)。穆欣布羅克還由此認識到，盛水的玻璃瓶通電后，可以將電保存起來。 穆欣布羅克以親身的體驗勸人不要做這種人體放電實驗，卻反而引起了更多的人對這類電現象的注意，以致在荷蘭和德國公開進行電實驗的表演，有許多人為了娛樂也做起電實驗來。在這些人當中，有法國的電學家諾萊特，他開始把這種能蓄電的瓶子稱為萊頓瓶(以穆欣布羅克所在的大學名稱命名)。 克萊斯特于1645 年也發現盛水的瓶中插入導體通電，瓶子能貯電，在德國就把貯電性的瓶子叫克萊斯特瓶。 當時所進行的電實驗表演中，有用萊頓瓶作火花放電殺老鼠的表演，有用電火花點酒精和火藥的表演。其中最為壯觀的一次表演是諾萊特在巴黎一座大教堂前作的，諾萊特邀請了法路易十五的皇室成員臨場觀看，他讓 700 個修道士手拉手排成一行，形成長達900 英尺的隊伍，然后讓排頭的修道士用手握住萊頓瓶，讓排尾的修道士用手握萊頓瓶的引線(引線另一端插入瓶中水中) ，準備就緒后，諾萊特令人用起電機通過引線向萊頓瓶送電。瞬間，700名修道士因受電擊同時跳了起來，在場觀眾無不為之目瞪口呆，諾萊特以事實表明了電的威力。 ( 四 ) 對電本質的研究及富蘭克林的獻身精神 1746年英國物理學家考林森通過郵寄向美國費城的本杰明·富蘭克林 (1706 — 1790) 贈送了一只萊頓瓶，并介紹了使用方法。富蘭克林對此極有興趣，用這只萊頓瓶進行了一系列實驗，對電的本質及電現象的規律開始了一系列深入的研究，得到了許多重要成果。 富蘭克林第一個提出存在正電和負電及電荷守恒定律。1747年7月他寫信給好友考林森，報告了收到萊頓瓶后一年來的實驗結果。在這封信中富蘭克林描述了這樣一個實驗：他讓兩人分別站在絕緣的箱上，其一人摩擦玻璃管，另一人用肘部接觸一下這個玻璃管，并讓兩人分別與站在地上的第三人接觸時，都有火花產生，這說明前兩人都帶電。重復進行前述的起電操作，讓兩人先相互接觸再與站在地上的第三者分別接觸時，結果都沒有火花產生，這說明兩人帶電后只要一接觸都不帶電。為此富蘭克林提出了單元電液理論。認為帶電的兩人是通過玻璃管發生了電液的遷移，其一人具有比正常情況少一些的電液，另一人具有了比正常情況多一些的電液。相互接觸后，又恢復到都具有正常數量的電液，則兩人都不顯電性。他提出了正電和負電的概念，他認為缺少電液，就是帶負電，可以用“—”號表示；帶超過正常情況的電液就帶正電，用“ + ”號表示。正、負電可互相抵消。正、負電的提出，為定量研究電現象提供了基礎，使人們第一次可以用數學來表示帶電現象，其重要性是顯而易見的。 富蘭克林還認為摩擦只能使電液從一個物體轉移到另一個物體上，即“電不是摩擦玻璃管而產生的，而只是從摩擦者轉移到了玻璃管，摩擦者失去的電與玻璃管獲得的電嚴格相同”。這就告訴人們，在任一絕緣體系中電的總量是不變的，這就是通常所說的電荷守恒原理。 富蘭克林的理論足以解釋當時人們已知的絕大部分靜電現象?，F在我們知道，所謂的電液是不存在的，比較容易遷移的是帶負電的載體——電子，用電液遷移來解釋電現象并不科學。盡管這樣，正、負電的概念和電荷守恒的觀念是至今仍然有效的科學觀念，是富蘭克林對電學的一大貢獻。 富蘭克林所做的另一項重大貢獻是統一了天電和地電。 富蘭克林通過親自進行大量實驗來說明現象，徹底破除了人們對雷電的恐懼、迷信心理。當時的歐洲和美國的大多數人認為雷電是“上帝之火”，是天神發怒的結果。為破除這種迷信，富蘭克林一直思考著這樣一個問題：雷電的電與摩擦電本質上是否一樣，區別在什么地方。為了加大電容量，富蘭克林將幾只萊頓瓶聯起來做實驗，有次實驗正在進行，他的夫人進來觀看，不小心碰了萊頓瓶，突然閃過一團火，隨著“轟”的一聲響，她被電擊倒在地，不省人事，經搶救脫險。這次事故使富蘭克林聯想起暴風雨中的雷電，于是下決心要把雷電捉下來進行研究。在 1752年7月的一個雷雨天他做了著名的費城實驗。 富蘭克林用綢子做了一個大風箏，風箏上安上一根尖細的鐵絲，用來捉電，并用麻繩與這鐵絲相連，麻繩的末端拴一把銅鑰匙，鑰匙塞在萊頓瓶中間。他和兒子一起將風箏放飛到空中，一陣雷電打下來，富蘭克林頓時感到一陣電麻，他趕緊用絲綢手帕把手里麻繩包起來繼續捕捉天電。又一陣雷電打下來，這時麻繩上松散的麻一絲絲向四周豎起，靠近鑰匙的手和鑰匙之間產生了火花。天電終于捉下來了。富蘭克林用這種方法使萊頓瓶充電，發現天電同樣可以點酒精，可以做摩擦起電機產生的地電所做過的許多電的實驗，從而證明了天電與地電的一致性。 富蘭克林深知這類實驗的危險性，有次他想做電擊火雞的實驗，不小心碰了萊頓瓶，立即將他擊暈了過去。富蘭克林沒有知險而退，成功地進行著一系列實驗。冒險捕捉天電的壯舉還有法國科學家阿里巴等人，他們用一根40英尺高的金屬桿引獲天電取得成功。俄國的里赫曼和羅蒙諾索夫(1711—1765) 對雷電現象也作了大量的研究，他們曾設計制作了一個裝有金屬尖桿的“檢雷器”，想用它來測定云中有無天電。 1753年7月26日，值雷雨欲來，里赫曼趕緊準備做實驗觀測，不料一個劈雷下來將他擊倒，里赫曼為科學事業獻出了自己的生命。羅蒙諾索夫還在 1753 年發表了電是以太微粒很迅速地轉動的觀點。在這一年里彼得堡科學院向全世界懸賞征文，題目《論電力的性質》。1755 年，歐勒獲得此項征文獎，他用以太中張力來說明帶電體的作用。 18世紀神學教會有廣泛的社會影響，富蘭克林的實驗是對這些神學影響的公開挑戰，這自然會使費城教會震怒，他們斥責富蘭克林是對上帝的大逆不道，富蘭克林毫不畏懼，不僅將實驗堅持做下去，還于1753年制成世界上第一個避雷針。100 多年之后，費城蓋了一座新教堂，教會怕遭雷擊，也不得不裝了避雷針，這個歷史事實是對嘲弄科學的教會的極大諷刺。避雷針的發明是人類應用電學研究為自身服務的第一個明顯例子。 ( 五 ) 伽伐尼效應和伏打電堆的發明 意大利生物解剖學教授伽伐尼(1737—1798)和他的兩位助手于1780年9月20日做青蛙解剖實驗，一名助手不慎將手中的解剖刀的刀尖觸到了桌上一只剖開的蛙腿神經上，頓時青蛙的4條腿猛烈地發生痙攣，另一名助手看到放在一帝的起電機跳了火花，這一現象引起了伽伐尼的極大注意。他選擇不同的條件，在不同的天氣里多次重復這一現象的觀察實驗，并在題為《論肌肉運動中的電力》一文中對此作了歸納總結。伽伐尼起先認為，可能是由于放電引起了蛙腿的收縮，他把蛙腿用銅鉤子掛到庭院的鐵欄桿上，試圖觀察雷雨天的放電能否引起蛙腿收縮，結果證實確能引起。伽伐尼進一步設想，晴天不放電會有這種收縮現象嗎？他發現，只要把銅鉤子掛到鐵欄桿上，蛙腿也有抽搐現象。由此，伽伐尼認識到，放電現象的存在不是蛙腿抽搐的必須條件。他在實驗中發現只要有兩種不同的金屬分別接觸蛙腿的神經和肌肉，并且使這兩種金屬彼此連結形成一個閉合回路( 加鐵欄桿和銅鉤)，蛙腿就會產生抽搐。現在我們知道，既然兩種金屬與蛙腿連結可產生和通電一樣的效果，這就證明了兩種金屬與蛙腿接觸可以產生電流。可是當時伽伐尼沒有形成這樣的觀念，他堅持動物體內存在著“動物電”，用兩種金屬與動物接觸，就能把這種“動物電”激發出來，金屬與蛙腿接觸只是起了放電作用，就像萊頓瓶的放電作用一樣。 伽伐尼的發現引起了意大利的實驗電學家伏打(1745—1827)的注意。那時他正在做生物電的實驗。當他用一根由兩種金屬組成的彎桿的兩端分別與舌頭和眼睛附近部位接觸時，眼睛里就有光亮的感覺。這些實驗使伏打認識到兩種金屬的接觸是產生電流的必要條件，只要有兩種金屬與另一個第二類導體( 某些化學溶液或生物體的器官) 連成一個回路，就能產生電流。伏打認為不存在伽伐尼提出的“動物電”，蛙腿只是起到驗電器的作用。這之后，伏打花了3年時間，用各種金屬搭配成一對一對，做了許多實驗。從實驗中他找到這樣一個序列：鋅、錫、鉛、銅、銀、金等，按這個序列將前面的金屬與緊接著的下一種金屬搭配起來，接觸在一起，那么前者就帶正電，后者帶負電，無一例外。我們現在知道，用量子力學費米能 級可以解釋金屬存在接觸電位差的原因，當然伏打那時還不能解釋存在這一“伏打序列”的原因。至于“動物電”，1793年伏打明確否定了它的存在。他在給一家物理雜志編輯的信中指出：“用不同的導體，特別是金屬導體接觸在一起，包括黃鐵礦、其他礦石以及炭等，我們稱之為干導體或第一類導體，再與第二類導體或濕導體接觸，就會擾動電液，引起電激動”。伏打的意見一發表，立即轟動了科學界，學者們議論紛紛。 意大利者費伯魯尼(1752—1822)在1796年作了一個實驗，他將兩種金屬一起放在水中，也觀察到了伽伐尼效應，但他特別強調還觀察到了其中一片金屬部分地氧化了，從而得到一個新的重要論斷，即某些化學作用不可分離地與伽伐尼效應聯系在一起。伏打不管學術界如何議論，加緊進行自己的研究工作。1800 年春，伏打制成了歷史上著名的伏打電堆，他在給英國皇家學會的一個報告中談到“無疑你們會感到驚訝，我所要介紹的裝置，只是用一些不同導體按一定的方式疊起來的裝置。用30片、 40片、60 片，甚至更多的銅片(當然最好是銀片) ，將它們中的每一片與一片錫片( 最好是鋅片) 接觸，然后充一層水或導電性能比純水更好的食鹽水、堿水等液層，或填上一層用這些液體浸透的紙皮或皮革等，就能產生相當多的電荷”。伏打這個電堆既能產生同萊頓瓶里一樣的電，而且有優于萊頓瓶之處，那就是把電堆的兩端的金屬導線連接起來可以獲得持續不斷的電流，而萊頓瓶在放電后已不再帶電，再次 使用需要重新起電。伏打的成就深得各界的贊賞。1801年法軍占領了意大利北部之后，法國 皇帝拿破侖一世于9月26日把伏打召到巴黎；10月6日拿破侖在一次學術聚會上觀看了伏打的實驗表演，并將一枚特制的金質獎章授于伏打。伏打電堆，就是我們現今使用的電池的雛形。 電堆的發明，使人們第一次獲得穩定而持續的電流，這就為研究動電現象提供了堅實的技術基礎。有了伏打電堆，一方面促進人們研究產生電荷的原因，從而使電化學、化學電源的研究工作有了很大的進展；另一方面促進人們研究電流的各種效應，從而使人們開始對“電有什么作用”的問題展開了廣泛研究。一個突出的例子，是 1812年化學家戴維曾用2000個電池組成的電池組供給碳極電弧以大電流，產生了很強的電孤光，成為愛迪生發明白熾燈泡之前的一種有效的電光源。隨著伏打電池的發明，電磁學的研究興起了高潮，進入了用科學的定量方法來研究的近階段。 |
