邁入電學(xué)時(shí)代

邁入電學(xué)時(shí)代電現(xiàn)象是人類最早認(rèn)識的自然現(xiàn)象之一．但是它真正成為一門科學(xué)并因?qū)θ祟愇拿髋c進(jìn)步產(chǎn)生巨大的影響而形成電學(xué)，是經(jīng)過了眾多物理學(xué)家的艱苦努力才獲得的．生活在現(xiàn)代社會(huì)中的我們要感謝這些科學(xué)家們的不懈努力，更應(yīng)當(dāng)回顧這些人類的杰出代表們的奮斗一生，繼承他們留下的寶貴遺產(chǎn)，并且加快我們前進(jìn)的步伐．邁入電學(xué)時(shí)代·古代電現(xiàn)象的觀察和發(fā)現(xiàn)雖然電的深入研究和廣泛應(yīng)用是在近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中興起的，但是人們對電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、觀察，卻有著悠久的歷史．遠(yuǎn)在三四千年前的我國殷商時(shí)代，甲骨文中就出現(xiàn)了“雷”字；西周時(shí)代，在青銅器的銘文——金文中就出現(xiàn)了“電”字．可見自然界中風(fēng)云變幻、雷電交加的壯觀景象，早就引起了人類的注意．在神話里，人們把雷電現(xiàn)象比做是“雷公”、“電母”，認(rèn)為是神力作用的結(jié)果．但是也有人試圖用自然現(xiàn)象來解釋雷電．在西漢劉安的《淮南子》中有這樣的文字：“陰陽相搏為雷，激揚(yáng)為電．”這就是說，把雷看做是陰陽相互作用的產(chǎn)物，把電看做是激發(fā)的氣．而我們現(xiàn)在知道，雷電是由于兩塊帶有異種龜荷的云層接近的時(shí)候，發(fā)生火花放電引起的．可見古人對雷電的解釋，從直觀的角度上講，已經(jīng)比較接近我們近代關(guān)于電的學(xué)說了．另一類在生活中普遍存在，并且早就為人所認(rèn)識的電現(xiàn)象就是摩擦起電．我國東漢時(shí)代的王充講“頓牟掇芥”，就是講琥珀經(jīng)過摩擦后可以吸引輕微的物體；古希臘人也同樣發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)．后來，16世紀(jì)的英國科學(xué)家吉伯還發(fā)現(xiàn)許多其他的物體也有這樣的性質(zhì)．由于最先發(fā)現(xiàn)可以通過摩擦起電的是琥珀，于是他就把這一類物體都稱做“琥珀體”，在拉丁文中寫做electrica．這也是今天的“電”——electricity(英文)這個(gè)詞的來源．這位科學(xué)家恐怕不可能想到，他所命名的“電”竟會(huì)在其后的幾百年里，對人類文明的進(jìn)步產(chǎn)生如此巨大的影響吧！另外一類摩擦起電和靜電放電現(xiàn)象是由于放電的過程中伴隨著放光發(fā)聲的現(xiàn)象而被觀察記載的．西晉張華的《博物志》中寫道：“今人梳頭、脫著衣時(shí)，有隨梳、解結(jié)有光者，亦有咤聲．”由于古代用骨、角或漆木制成的梳子，用絲綢或皮毛做成的衣服都是絕緣體，梳頭時(shí)，梳子和頭發(fā)摩擦；脫衣或穿衣時(shí)，質(zhì)料不同的外衣與內(nèi)衣摩擦，在干燥的空氣中都會(huì)摩擦起電，再放電而放出火星和聲音．這一放電過程從原理上來講，和自然界的雷電現(xiàn)象是類似的．邁入電學(xué)時(shí)代·摩擦起電機(jī)的發(fā)明——打開電學(xué)實(shí)驗(yàn)的大門科學(xué)的發(fā)展，永遠(yuǎn)是建立在探索、解疑、求進(jìn)和永不自滿的基礎(chǔ)之上的．人們在認(rèn)識到許多物體都具有摩擦起電的性質(zhì)后，又感覺到用手摩擦物體很費(fèi)勁，于是有人就想：能不能發(fā)明一種機(jī)械，來自動(dòng)產(chǎn)生大量的電呢？第一個(gè)把這種想法變成現(xiàn)實(shí)的是德國的物理學(xué)家格里克．他是一個(gè)多才多藝的人，曾經(jīng)在馬德堡市當(dāng)過35年的市長，對科學(xué)研究很感興趣．他發(fā)明過抽氣機(jī)，著名的證明大氣壓存在的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)也是他做的．他在研究摩擦起電的過程中，感覺到用手摩擦很累，便發(fā)明了摩擦起電機(jī)．他自己說的制造方法是這樣的：“取嬰兒頭大小的玻璃瓶，把研成粉末的硫磺倒入其中，靠近火使其充分液化．等它冷卻后，打碎玻璃瓶，取出硫磺球，然后將其放在干燥處．再沿直徑穿孔，插入鐵軸，安裝在座架上，使其能繞鐵軸轉(zhuǎn)動(dòng)．”轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，把干手掌放在它上面，它便與手掌發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生電．人類創(chuàng)造的東西，總是從簡單到復(fù)雜．別看這個(gè)機(jī)器簡單，這可是人類歷史上的第一個(gè)起電機(jī)器呢(圖1－1)！要發(fā)現(xiàn)新的東西，常常需要新的工具，而新工具的發(fā)明，也常常會(huì)帶來新的發(fā)現(xiàn)．格里克就利用他發(fā)明的這個(gè)摩擦起電機(jī)，做了許多有意義的實(shí)驗(yàn)．例如他說：“用這球甚至可以看到排斥現(xiàn)象．因?yàn)樗粌H會(huì)吸引輕物體，而且還會(huì)排斥輕物體，直到它們接觸某個(gè)其他東西之前，它不再吸引它們．”他把摩擦過的硫磺球從架子上取下來，手拿著它的軸，把羽毛吸引到它上面后，羽毛又因被排斥而離開它．他拿著硫磺球排斥羽毛，不讓羽毛落下，使羽毛在空中飄浮．“羽毛張開著，在某種程度上像活的一樣．”從此，人們知道電不僅可以使物體相互吸引，也可以使物體相互排斥．他在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，這羽毛喜歡靠近他“前面任何物體的尖端，并且能夠讓它粘著在任何物體的突出部分．”“但是，如果在桌上放一支點(diǎn)著的蠟燭，把羽毛驅(qū)趕到離燭火上方約一掌寬的距離時(shí)，羽毛便突然后退，并飛向硫磺球．”這些實(shí)驗(yàn)表明，他已觀察到物體的尖端對電的特殊作用以及燭火使羽毛失去電的作用．對于另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他說：“如果你把一根亞麻線吊在硫磺球的上方，下端幾乎接觸到硫磺球，用手指或其他東西試著去碰它，線便后退，不讓手指接觸它．”于是他取一根長約45英寸的亞麻線，吊在一根細(xì)桿的一端，這細(xì)桿固定在桌子上．亞麻線垂下時(shí)，它的上下兩端與其他物體的距離約為一拇指寬；當(dāng)把摩擦過的硫磺球拿近支持線的細(xì)桿時(shí)，發(fā)現(xiàn)線的下端翹起向著附近的物體．他說：“這讓人親眼看到，效力在亞麻線中伸展甚至達(dá)到下部，它在那里或者是吸引，或者是自己被吸引．”“這個(gè)實(shí)驗(yàn)直觀地顯示，由摩擦激發(fā)了的硫磺球，也能通過45英寸長或更長的亞麻線行使它的效力，在那里吸引某個(gè)東西．”這是人類最早觀察到電的傳導(dǎo)現(xiàn)象．他還提到，如果“你把硫磺球拿到暗室中摩擦，特別是在夜里，會(huì)發(fā)出光來．”他還看到手和硫磺球間的刷形放電，并聽到“噼啪”聲．自格里克之后，又有許多人對摩擦起電機(jī)提出了改進(jìn)，例如牛頓用玻璃球代替硫磺球；豪克斯比用空心玻璃球代替實(shí)心玻璃球；又有人將玻璃球換成玻璃圓柱；后來又換成平玻璃板，加上腳踏板，用腳踏代替手搖；用皮革墊子代替手掌進(jìn)行摩擦等等．經(jīng)過改進(jìn)的摩擦起電機(jī)，效力和威力都有很大程度的提高(圖1－2)．摩擦起電機(jī)的出現(xiàn)，為實(shí)驗(yàn)研究提供了電源，對電學(xué)的發(fā)展起了重要作用．經(jīng)過英國和德國科學(xué)家們改進(jìn)后的摩擦起電機(jī)，效力和威力都有提高，能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的火花，特別是能從人體上生出火花來，引起了世人的驚奇，促使人們對電的本質(zhì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及雷電現(xiàn)象等進(jìn)行探索，從而促進(jìn)了電學(xué)的發(fā)展．另一方面，這種由人工產(chǎn)生的新奇的電現(xiàn)象，也引起了社會(huì)上的關(guān)注．不僅一些王公貴族觀看和欣賞電的表演，連一般老百姓也受到吸引．特別是在18世紀(jì)40年代的德國，整個(gè)社會(huì)都對電的現(xiàn)象感興趣，普遍渴望獲得電的知識．電學(xué)講座成為廣泛的要求，演示電的實(shí)驗(yàn)吸引了大量的觀眾，甚至大學(xué)上課時(shí)的電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，公眾都擠進(jìn)去看，以至達(dá)到把大學(xué)生擠出座位的地步．當(dāng)時(shí)摩擦起電機(jī)市場銷路很好，簡單的儀器，能產(chǎn)生驚人的結(jié)果，許多平民大眾，出于好奇心，也買回去自己做實(shí)驗(yàn)．這就大大地普及了電學(xué)知識，為電學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展打下了廣泛的牢固的基礎(chǔ)．邁入電學(xué)時(shí)代·“把電存起來”——萊頓瓶的發(fā)明有了摩擦起電機(jī)以后，人們可以隨時(shí)獲得大量的電了．可是人們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的電過一段時(shí)間就在空氣中消失了，能不能把這些電存起來，等到用的時(shí)候再拿出來呢？首先，大家想到實(shí)驗(yàn)各種各樣的物質(zhì)，看看哪種物質(zhì)適于存儲(chǔ)電．結(jié)果一位名叫格雷的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物質(zhì)可以分為兩類：一類可以傳導(dǎo)電，而另外的大多數(shù)則不能傳導(dǎo)電．這就是我們今天知道的導(dǎo)體和絕緣體．于是人們很自然就想到，要保存電荷就要讓帶電體與導(dǎo)體隔離．開始，有人把帶電體放在絕緣支架上或用絕緣絲線將它們吊起來．這樣做雖然有一定效果，但是電荷往往會(huì)慢慢散發(fā)到空氣中，特別是在有風(fēng)或空氣潮濕的情況下，電荷散失得更快．因此，有些人干脆把荷電體放在一個(gè)密封的絕緣體內(nèi)，將它們嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地包起來．荷蘭萊頓城的幾位科學(xué)家用水作為電荷的保持劑，把一些金屬球放入一個(gè)盛有水的玻璃瓶里面，再插入一根金屬桿，讓金屬桿與水接觸，然后用摩擦起電機(jī)通過金屬桿將電荷傳進(jìn)瓶內(nèi)．有一次一位科學(xué)家在拿玻璃瓶的時(shí)候，一只手無意識地摸了一下插在瓶中的金屬桿，頓時(shí)感到受了猛烈的電擊．用他自己的話說：“我的手臂和身體產(chǎn)生了一種無法形容的可怕的感覺，總之，我以為這下子我可完蛋了．”當(dāng)時(shí)他還不知道他手里拿的正是一個(gè)大電容器(圖1－3)．這種能夠把電存儲(chǔ)起來的瓶子很快就像摩擦起電機(jī)一樣，在社會(huì)上流行開了，并被命名為“萊頓瓶”．由于萊頓瓶能產(chǎn)生強(qiáng)烈的電擊和火花，也引起了王公貴族和一般市民對這種奇妙的瓶子的興趣．他們喜歡看這種新奇的玩意兒，并樂于親身體驗(yàn)一下電擊的滋味．所以在當(dāng)時(shí)的歐洲，時(shí)興表演電學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅在實(shí)驗(yàn)室、集會(huì)廳表演，而且還在街頭表演．有些人還以此為業(yè)，帶著摩擦起電機(jī)和萊頓瓶以及一些簡單的器具，到處表演．在一次為法國國王的表演中，他們讓國王的180個(gè)衛(wèi)兵手拉手，然后通過一個(gè)大的萊頓瓶給衛(wèi)兵們放電，結(jié)果他們同時(shí)感受到電擊并且向上跳起，把國王逗得哈哈大笑．有許多科學(xué)家還對萊頓瓶做了進(jìn)一步的研究，發(fā)現(xiàn)在玻璃瓶的里外都加上金屬敷層，可以加強(qiáng)電擊的效果．而且瓶子越薄，瓶子內(nèi)外導(dǎo)體接觸面積越大，電擊的效果也就越強(qiáng)；也就是說，它能存儲(chǔ)的電也就越多．這就相當(dāng)于我們今天知道的平板電容器的面積越大，電容值也就越大．這與平板電容器存儲(chǔ)電荷的規(guī)律是一致的：式中，S為平板的面積，d為兩板間距．在萊頓瓶實(shí)驗(yàn)中，人受到電擊時(shí)，只是胳膊和胸部受到電擊，而身體的其他部分并未受到電擊，根據(jù)這一事實(shí)，科學(xué)家還推斷：在電擊時(shí)，有某種東西從萊頓瓶經(jīng)過受電擊者的胳膊和胸部通過，這種東西走的是最短的或最易傳導(dǎo)的路徑．這就是最早的關(guān)于電路的概念．萊頓瓶是最早的電容器．后來，人們根據(jù)電容器的電容變化的規(guī)律，又制造了各種各樣的電容器，它們在電學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展中起到了重要的作用．從構(gòu)造上看，常用的電容器可分為固定電容器和可變電容器兩類．固定電容器的電容是固定不變的，由于所用的電介質(zhì)不同，又可分為紙介電容器、云母電容器、瓷介電容器、電解電容器等．下面我們說明一下紙介電容器和電解電容器．紙介電容器是在兩層錫箔或鋁箔中間夾以在石蠟中浸過的紙，一起卷成圓柱體而制成的(圖1－4)．紙浸過石蠟后，可以避免潮氣侵入，使絕緣能力大大增強(qiáng)．改變錫箔或鋁箔的面積，可以制成電容大小不同的紙介電容器．這種電容器的特點(diǎn)是容易制造出電容較大的電容器，而且價(jià)格較低．電解電容器外形如圖1－4．這種電容器的極性是固定的，使用時(shí)正負(fù)極不能接反，并且不能接在交流電路中，否則它將不能工作，這是它跟其他電容器不同的地方．電解電容器是利用電解現(xiàn)象制成的．可變電容器的電容是可以改變的，它由兩組鋁片組成，固定不動(dòng)的一組鋁片叫定片，可以轉(zhuǎn)動(dòng)的一組鋁片叫動(dòng)片．定片和動(dòng)片之間的電介質(zhì)，通常就用空氣．轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)片，兩組鋁片的正對面積發(fā)生變化，電容就隨著改變．此外還有半可變電容器，能微小地調(diào)整兩極片間的距離或改變它們的正對面積，使電容發(fā)生微小改變．在閃電光下在大雷雨的晚上，在電光短促的一閃中，你一定看到，人停留在跑步的姿勢里，腿都懸空了；車同樣也停著不動(dòng)，車輪上的每一根輻條都可以看得清清楚楚……這種好像靜止的現(xiàn)象，究其原因，在于閃電的持續(xù)時(shí)間非常短促．原來閃電也同所有的電火花一樣，它的一閃的時(shí)間短到不能用普通的方法來測量．可是利用間接的方法卻可以查出，每次閃電持續(xù)的時(shí)間常常只有千分之一秒．在這樣短的時(shí)間間隔里，物體的位置的移動(dòng)是不容易被人眼察覺的．所以熙熙攘攘的街道，在閃電光下似乎變得完全不動(dòng)，那是一點(diǎn)也不奇怪的：要知道我們在閃電光下能夠看到物體的時(shí)間不到千分之一秒??！在這樣短的時(shí)間里，即使是迅速奔馳著的汽車，車輪上的每一根輻條也只能移動(dòng)幾萬分之一毫米．這樣的運(yùn)動(dòng)在人眼里當(dāng)然跟靜止沒有分別．又因?yàn)橛∠罅粼谝暰W(wǎng)膜上的時(shí)間要比閃電的持續(xù)時(shí)間長得多，因此這也增強(qiáng)了靜止的印象．閃電值多少錢在從前人們把閃電當(dāng)做神的時(shí)候，提出這樣的問題會(huì)被認(rèn)做是褻瀆神的行為的．但是在科學(xué)發(fā)達(dá)的今天，電能已經(jīng)變成了一種商品，它同一切別的商品一樣，可以計(jì)量和估價(jià)．這時(shí)候提出“閃電值多少錢”的問題，當(dāng)然不會(huì)被認(rèn)為是毫無意義的．這個(gè)計(jì)算題的內(nèi)容包括：計(jì)算出閃電放電的時(shí)候所消耗的電能，以及按照電燈電的價(jià)格算出它值多少錢．算法是這樣：依據(jù)最新的資料，閃電放電的電壓等于50000000伏特；電流據(jù)估計(jì)大約是200000安培(順便說一說，這數(shù)字是根據(jù)鐵芯被電流磁化的程度來確定的，電流是在打雷的時(shí)候通過避雷針來到線圈里的)．把伏特?cái)?shù)和安培數(shù)相乘，就可以得到電功率的瓦特?cái)?shù)了．不過這里應(yīng)該考慮到，在放電時(shí)候電壓會(huì)一直降落到