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第10章 18世纪的物理科学(9)

波义耳的同代人,萨克森地区马德堡的盖里克(Otto Von Guericke,1602—1686),用一个旋转着的硫黄球当作起电机,做起电学实验。他把熔融的硫黄和其他矿物质注入一个当作模子的玻璃球中,然后撤除玻璃球,这一器械“与婴儿的头一般大”。为了使它能够绕轴旋转,盖里克穿过中心打了一个孔,插进一根带有把手的铁棍。然后一只手握住硫黄球,另一只手使它转动。摩擦使球带电,于是球就可以吸引其他物体。盖里克发现,他能把电传到其他物体,诸如另一个硫黄球。他还注意到另一件有趣的事情:原先会吸引硫黄球的物体,一旦与硫黄球接触后,就会被硫黄球排斥。

到了18世纪,带电玻璃球和棍棒成为风靡欧洲的娱乐用具。聚会上,宾客们以这样的方式彼此逗乐:相互电击、吸引羽毛之类的轻盈物体、使对方头发竖立。

当然,科学家感兴趣的是现象背后的原因。他们猜测,这可能是另一种“没有重量的”流体,尽管已知的流体大多可归入热和燃素,而燃素就是引起燃烧的物质。为了解释盖里克注意到的吸引/排斥现象,最流行的理论是二流体论。一种流体排斥,另一种流体吸引。用毛皮摩擦玻璃棒或玻璃球会转移一部分流体,产生电荷。而相反的流体彼此吸引(与磁铁中相反的磁极相互吸引一样)。

1729年迎来一次突破性事件,格雷(StephenGray,1666—1736)发现,当他用软木使玻璃管的任一端带电时,不仅玻璃管,而且软木也带电在一个风雨交加的日子里,富兰克林用风筝和金属钥匙证明闪电是电的一种形式。幸运的是,他活着记录了实验结果。其他的实验者却没这么幸运。了。他发现了导电现象。还有一种叫做莱顿瓶的装置,因荷兰的莱顿市而得名,它的问世带来了更多富有成果的实验。1745年左右,荷兰与波美拉尼亚的发明家分别发明了这种莱顿瓶。这是一个玻璃瓶,里外两层分别被金属所覆盖,本质上是一个储电器[半个世纪后伏打(Alessandro Volta,1745—1827)称之为“电容器”],可以储存由摩擦产生的大量静电荷。如果想让带电的莱顿瓶放电,只要把手靠近它的中心棒就行,在早期的电学研究中,许多研究者因此而遭受猛烈电击。当一片金属靠近莱顿瓶时,只见接缝处会迸出火花,同时还伴有噼啪声。

像玻璃球及玻璃棒一样,莱顿瓶成了社交集会上的热议话题。但是它的发明也标志了对电的本质和特性进行认真研究的开始。

富兰克林:电学行家

美国科学家富兰克林生前以国家领导人、外交家、天才发明家和心灵手巧的织布工而赢得声誉。他还因其充满灵感和活力的心智而著称于世。他是许多欧洲科学家的朋友,包括普里斯特利和拉瓦锡。他的电学工作,有些甚至冒了极大的危险,更是闻名遐迩。

42岁那年,他以一名富裕商人的身份退休,从此无牵无挂地投入早在1746年就已开始的电学研究。他提出了一种理论,认为摩擦电是“电流体”的转移,从而使表面带“正电”或“负电”。正电可能就是一种多余的流体,负电则是一种流体的缺乏。尽管流体理论本身在18世纪后就销声匿迹,但正电荷和负电荷的概念则一直沿用至今。这个“单流体理论”打破了被普遍接受的“二流体理论”。

富兰克林还提出电荷守恒定律,这个定律是说:为了产生一个负电荷,一定会有等量的正电荷出现。还有,宇宙中所有的负电荷和正电荷必定完全平衡。所以,如果有人用羊毛衫摩擦气球,气球得到了负电荷,但把正电荷留在羊毛衫上。然后,如果把气球靠近墙面,它会吸在那里,因为它的负电荷吸引了墙上原有的正电荷。富兰克林的电荷守恒定律和单流体理论有助于解释刚刚发明的莱顿瓶背后的原理。

莱顿瓶那大容量的电荷储存能力使得有可能用它来做各种类型的实验,派上不同的用场,进行各种表演。富兰克林对此十分欣赏(他曾经如此赞叹:“多么奇妙的瓶子……多么神奇的瓶子!”)。于是1749年,他和朋友们决定在苏基尔河岸上举行一场聚会。聚会的主题就是电及其应用和奇观。他们计划通过水来隔岸传递火花,用电击杀死火鸡(可以使鸡肉更嫩),并在由“电瓶”点燃的火上烘烤。但是,这一天以相当令人震惊的记录结束,富兰克林在给他的兄弟约翰的信中写道:

“正准备用两个大玻璃瓶(其中的带电量相当于40个普通小瓶)放电杀死火鸡时,由于疏忽,电荷竟整个通过我自己的手臂和身体,这是因为当我的一只手握住一根使两个瓶子相连的电路时,另一只手刚好碰到了位于顶部的金属连线,于是产生了火花。据现场的同伴们(他们中有的正在与我说话,有的正在相互交谈,我想是我不小心导致了这一结果)说:闪光非常亮,噼啪声也非常响,如同枪声。然而,我立刻失去了知觉,既没有看到闪光,也没有听到响声,也没有感觉到双手受到的电击。……我无法描述我的感受,这是从头到脚对我全身的打击,似乎来自内部也来自外部。在这以后,我最先注意到的就是身体的急速摇晃,然后逐渐缓和,感觉也逐渐恢复。”

噼噼啪啪的声响和火花的形状使富兰克林想到莱顿瓶中的静电与天空中的闪电之间的关系,由此导致他做了著名(也是危险)的实验。1752年的一个雷雨天里,他放飞了一个特制的风筝,牵着风筝的丝线连着一个尖尖的金属钥匙。他的思路是:丝线(丝绸导电性能很好)会把天空的电传到地面(假设天空有电)。他注视着天空,等候合适的时机,当看到云层中隐现闪电时,他立刻握住钥匙。只见一个火花顿时迸出,就像莱顿瓶放电一样。富兰克林还让闪电使莱顿瓶充电。他由此证明,闪电在本质上就是电,于是他被选为伦敦皇家学会会员。

但是,富兰克林非常幸运。后来有两个人试图重复他的实验,都被电击身亡。

富兰克林崇尚实用,总是把自己的知识立即付诸应用,他发明了第一支避雷针,到1782年,在他生活的费城,就有400户人家装了避雷针。他还在自己的家里装上铃,每当带电的云团在上空越过就会叮当作响,于是他就抓住机会收集电荷或进行实验。

库仑定律

1785年,库仑(Charles-Augustin de Coulomb,1736—1806)建立了另一条重大的电学定律。他决定用两个带电的软木球测量电力,软木球固定在一根棒上,棒又挂在一条金属丝下。在附近,他放了两个带相反电荷的软木球。他准确地知道每个球上带的电荷,从金属丝的扭曲量还可以计算两球之间的吸引力。结果使他和所有人大吃一惊。他发现两个电荷之间的电力取决于两个电荷的强度。也就是说,两个电荷的电量越大,它们之间的吸引力越强。他还发现,它们离得越远,吸引力越弱。如果距离加倍,吸引力只有原来的四分之一;如果距离是原来的三倍,吸引力将降到九分之一,等等。他把这些观测结果总结成库仑定律,说的是两个电荷之间的力正比于电量的乘积,反比于电荷间距离的平方。

库仑和他的同事非常吃惊地认识到,这一平方反比关系正好和牛顿的万有引力定律类似。从库仑的工作可以明显看出,引力和电的作用方式非常类似。接着,他又对磁作了类似的研究,发现磁力也服从平方反比定律,这是非常令人兴奋的消息,因为它证明这三种基本力都服从类似的定律。宇宙,确实是按一套简洁、有序的原理运行。当18世纪行将结束时,物理学家一定有一种兴奋感,预期未来的发现,尤其会在电学领域,这门原来“不值一提”的学科,突然变得格外引人关注。

18世纪的曙光照亮了新时代的黎明,在这个新时代里,电将被人类利用并产生效益。到了1800年,意大利物理学教授伏打发明了第一只电池,使科学家可以储存电,从而在实验室的条件下更有效地研究电。到了1831年,英国物理学家和化学家法拉第(Michael Faraday,1791—1867)通过磁铁在铜线圈里的运动产生了电,制成第一台发电机。

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