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第12章 电学革命与现代科技(1)

电学成为独立学科

美国人富兰克林以非凡的勇气向苍天取电,唤起了人们对电学研究的兴趣,但是向老天爷要电毕竟是非常危险的。在富兰克林捕捉雷电的第二年,俄国物理学家李希曼在一次雷电实验中光荣地献身了。

于是人们还是靠摩擦起电或者用莱顿瓶储存的电荷来做实验,但是从莱顿瓶获得的只是瞬时电流,如何获得持续的电流呢?

人们的不断探索,促进了近代电学的发展。

在富兰克林之后最早进行电学研究的是英国化学家普利斯特列和卡文迪许。他们进行了火花放电实验,几乎得出静电力的平方反比定律。

1785年,法国物理学家库仑进行了扭秤实验,得出了两个点电荷之间的相互作用力的平方反比定律,这个定律现在表述为:两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比,跟它们间的距离的平方成反比,作用力的方向在它们的连接线上。

为了纪念库仑,后人把这一定律称为“库仑定律”,把电量的度量单位命名为“库仑”,简称“库”。

库仑定律的发现和证实,标志着电学开始成为一门独立的学科。

1780年,意大利医生伽伐尼在一次偶然的事件中发现火花放电能使蛙腿的肌肉产生痉挛。之后,他又发现,如果把两种不同的金属导体分别与蛙腿的神经和肌肉接触,在连接两个导体时,蛙腿同样会产生痉挛。

枷伐尼事实上已发现了电流,发现了电流对蛙腿的生理作用。但他却认为这是由动物产生的动物电,便提出动物组织含有动物电。1791年,伽伐尼发表了《论肌肉运动中的电作用》的论文,阐述了自己的看法。

伽伐尼的发现引起了意大利电学家伏打的重视。伏打从17岁开始就致力于电学研究,在1775年发明了起电盘,这是利用感应起电使物体带电的装置。这种电盘既可产生负电荷,又可产生正电荷,所产生的电荷量要比格里凯起电机大。

在此基础上,伏打试图发现稳定的电荷,进行不断的实验。

当他读到伽伐尼的论文后,立即重复了他的实验,相信了动物电的存在。

但当他进一步进行实验时,便否定了这一观点。

在无数的实验中,伏打发现,用一根铜线作为一端,当另一端用银导线时,蛙腿痉挛强烈;当另一端用铁导线时,蛙腿只是轻微的颤动。

这使伏打很奇怪,动物电存在于它的肌肉中,在改变导线时,蛙腿的痉挛不应该发生变化,难道是电来自于金属导线,而不是来自于肌肉吗?

伏打很兴奋,又做了这样的实验。当他把两种不同的金属相互接触时,中间没有蛙腿,而是皮革、湿的硬纸等东西,同样有电流产生。

这就证明了电确实是来自两种金属的接触,而不是蛙腿。他又在实验中发现,用两条性质相同的金属线接触时,不能产生电流。

伏打在一系列的实验中认识到,蛙腿痉挛只是放电过程的一种表现,两种不同金属的接触才是电流现象的真正原因。

伏打进一步地用电位计测定了各种金属接触时的电位差,把各种金属排了成:锌—铅—锡—铁—铜—银—金的电位序列,指出当这序列中的任意两种金属接触时,前者带正电,后者带负电,这种原来不带电的两种不同的金属相互接触时产生电荷的现象,就是接触电现象。

1800年,伏打根据这一认识发明了世界上第一个稳定电源——伏打电堆。他把金属制成金属片,将一张锌片和一张铜片接触在一起,锌片和铜片中间放浸湿盐水的布片成为一组,这样一组一组地堆在一起。当把锌片的一端和铜片的一端用导线连接起来时,便获得了连续而稳定的供电装置。

后来,伏打又制成最早的电源——伏达电池。这是将铜片和锌片放在盛有盐水和稀酸的容器中.将铜片和锌片用导线连接起来,从而提供持续的电流。

从此,人类就有了提供持续电流的稳定电源。

电池的发明是物理学上的一大创举,为电学研究提供了重要的物质基础,为电解、电照明、电极、电话等提供了能源,人类利用自然力进入了新的阶段。

1807年,英国化学家戴维利用电解法,发现了钾和钠两种新元素,举世瞩目。接着,他利用2000对铜锌片制成照明用的电弧灯,照亮了世界。

伏打电池的发明一方面推动了电化学的发展,一方面直接促成了电磁学的诞生。

电学家

对电磁学做出伟大贡献的有法拉第、欧姆、奥斯特、安培、麦克斯韦等。

丹麦物理学家奥斯特最先发现了电和磁之间的联系。

且说1820年7月21日,丹麦哥本哈根大学响起了清脆的铃声,物理实验室已经坐满了学生,年富力强的奥斯特教授精神饱满地带着伏打电他走了进来,为学生们上实验课。

当他接通电池时,突然发现放在电池旁边的磁针发生了偏转,改变了原来的位置,在垂直于导线的方向停了下来。

学生们对这一现象丝毫没有感觉,但奥斯特却激动万分。

在19世纪以前,近代电学和磁学的先驱及其后来人,一直把电和磁作为独立的互不相关的现象进行研究。在电和磁之间是否存在什么关系呢?从1807年起,奥斯特就致力于电的各种效应的研究,隐约地认识到电和磁之间存在某种联系,但找不出什么证据。

经过10多年的探索,进展不大。当他在课堂上看到通电后引起的磁针偏转时,怎能不激动呢!

奥斯特意识到这是一项重大发现,下课后,立即进行了各种分析实验。

他用导线又接通了伏打电池,当磁针垂直地放在导线的位置时,磁针并无变化;当磁针平行地放在导线的位置时,磁针立即偏转,直到与导线垂直为止。他再把磁针放在一定的位置上,当伏打电池接通时,磁针发生了偏转,当关闭电源时,磁针就恢复到原来的状态。

奥斯特又进一步地试验了不同的金属导线,发现磁针的偏转几乎一样。

他又在导线和磁针之间放一块硬纸板隔离,在接通电源时,磁针仍然偏转,甚至在中间放上玻璃、石头、水、金属时,磁针照样偏转。

通电导线为什么会使磁针偏转呢?奥斯特进行了理论的探讨。他认为磁针的偏转是由于电荷的流动引起的,磁针的偏转方向和电荷的流动方向密切相关。由于导体中的电流会在导体周围产生一个环形磁场,因此,磁针在这个磁场范围内,无论是改变电流的方向,还是改变磁针与导线的位置,都会引起磁针的偏转。

这是电流磁效应的最初发现。

1820年,奥斯特的论文《磁针电抗作用实验》在法国的科学杂志《化学与物理学年鉴》上发表。奥斯特在论文中介绍了自己的研究成果。

奥斯特的发现把电学和磁学结合起来了。从此,电磁学的研究在欧洲主要国家里蓬勃地开展起来。

奥斯特的论文在法国发表后,引起了一个法国人的极大兴趣。

他就是安培。安培1775年1月22日生于里昂,幼年时表现出数学上的天资,是个神童。1802年,安培发表了概率论方面的论文,引起了科学界的注意。

当安培得知奥斯特发现电和磁之间的关系时,便放弃了已奠定一定基础的数学研究,而转向物理学领域,并有一系列的发现。

安培在重做奥斯特的电流使磁针偏转的实验基础上,提出用来判定电流磁场方向的右手螺旋定则。

对于直线电流,判定的方法是,用右手握住导线,让伸直的大拇指指向电流方向,那么,弯曲的四指所指的方向就是磁力线的环绕方向。对于通电的螺线管,判定的方法是,右手握住螺线管,让弯曲的四指指向环形电流方向,那么,伸直的大拇指所指的方向就是磁力线方向。

在实验中,安培发现不仅通电导线对磁针有作用,而且两根通电导线之间也有作用。两根平行通电导线之间,同向电流相互吸引,反向电流相互排斥。

1821年,安培探索了磁现象的本质。他认为物体中的每个分子都有圆形电流,即分子电流,分子电流产生磁场,使每个分子都成为一个小磁体。当物体内部的分子电流杂乱无章地排列时,它们的磁性相互抵消,而使物体不显示磁性;当物体内部的分子电流取向一致时,至少是部分地一致时,就使物体显示出磁性。

这样,安培初步揭示了电和磁的内在联系,他的观点和现代观点非常接近。

安培又对电流产生磁力的规律进行了研究,提出了安培环路定律,用来计算任意几何形状的通电导线所产生的磁场。

后人为了纪念他,把电流强度的单位命名为“安培”,简称“安”

伏打电池不仅促使奥斯特、安培对电学的研究,同时德国中学教师欧姆也对电学表示了极大的兴趣。

欧姆在教学过程中自制了许多电学仪器和材料,进行了大量的实验,发现了欧姆定律和电阻定律,取得了很大的成就。

在实验中,欧姆发现对同一个伏打电池,用不同的金属材料做导线时,所产生的电流强度不一样,并且与导线的长度也有关系。那么,电流强度、导线材料、电动势之间是什么关系呢?

在对导体材料的研究上,欧姆提出了电阻的概念,并发现了电阻定律,即导体的电阻与它的长度成正比,与它的横截面积成反比,与导体的材料也有关系。

1826年,欧姆发现了欧姆定律。部分电路的欧姆定律是:导体中的电流强度,跟这段导体两端的电压成正比,跟这段导体的电阻成反比。

全电路的欧姆定律是:电路中的电流强度跟电源的电动势成正比,跟整个电路的电阻(外电路电阻和电源电阻)成反比。

为了纪念欧姆,后人将电阻的单位命名为“欧姆”,简称为“欧”。

屡建奇功的英雄

在研究电磁学的人中,法拉第是一位屡建奇功的英雄。

1791年9月22日,迈克尔·法拉第出生于英国萨里郡的一个铁匠家庭。

由于家里贫穷,生活都难以维持,就谈不上送法拉第去读书了。1796年,为了摆脱贫困,父亲带着全家来到繁华的伦敦,住在曼彻斯特广场一家马厂行的楼上。

环境虽然变了,但是生活的贫困依然没有改变,童年的法拉第只好在曼彻斯特广场和查里斯大街度过。

1804年,法拉第到附近黎保的书报店当报童,第二年转为店里的装订工人。利用装订书籍的空闲,法拉第贪婪地阅读着刚订好的书。书籍开阔了他的视野,增长了他的知识。

在阅读的大量书籍里,法拉第被《大英百科全书》中的电学部分和玛西特夫人的《化学对话》所描述的奇妙现象深深地吸引住了,便按照书中的内容进行了一些简单的实验。

法拉第没有想到,正是书中的奇妙现象,促使他学习科学知识,并改变了自己的命运,最终成为伟大的科学家。

1812年,法拉第作为一名装订工的学徒已经期满,为了生活,也为了自己的志趣,他又成为法国人罗歇的印刷所装订工。

这一年,法拉第听了一次皇家学院大化学家戴维的化学讲演,并且能够听懂。

他非常高兴,多年来自己对化学知识的学习已经达到了一定的程度。

接连几天,法拉第总是在想:要是能到皇家实验室去工作,那该多好啊!

强烈的科学欲望促使他冒昧地给皇家学会会长班克斯写了一封信,恳求获得一份科研工作。结果是可想而知的,信发出后如石沉大海,毫无音讯。

法拉第并不死心,决定再给戴维写封信,碰碰运气。

碰巧的是,皇家学院解雇了一名助理实验员,法拉第又以他的化学知识和见解受到戴维的赏识。这样,法拉第成为戴维的助手,踏上梦寐以求的科学征途。

一开始,法拉第在实验室的工作是,洗瓶子、擦桌子、扫地板,与其说是助手,倒不如说是实验室的勤杂工、戴维的仆人。

但是没过多久,法接第就向戴维证明了,他比一个勤杂工要高明得多。

他头脑灵敏,有分析力,不时恭敬地提出一些建议,令戴维刮目相看,于是戴维允许他参加自己的各项实验工作,而他也能比较准确地完成各项任务。

1813年10月1日,戴维夫妇去欧洲大陆旅行。法拉第作为戴维的“哲学助手”陪伴他到欧洲各大城市去讲学。

法拉第在日记中写道:“今天早晨迎来了我一生中的新时代。在我的记忆中,我从未到过离伦敦12英里以外的地方,现在我可能要离开它若干年,去访问那些遥远的地方。”

在旅行期间,法拉第游历了巴黎、罗马、米兰等城市,结识了许多有名的科学家。

1816年,法拉第在戴维的指导下发表了第一篇论文:《多斯加尼本土生石灰的分析》。1825年。他第一次在实验中制取了苯。这一年,在戴维的推荐下,法拉第被任命为皇家研究院实验室主任。

丹麦物理学家奥斯特发现了电流磁效应,法国物理学家安培研究出电流产生磁力,使欧洲大陆掀起研究电磁学的热潮。在这一领域,英国相对落后,1821年9月,奥斯特的实验成果传到英国后,戴维和法拉第立即进行了实验。

不久,戴维要从事其他研究,法拉第就单独进行电和磁之间现象与本质的研究。

既然电流能产生磁力,那么磁力能否产生电流呢?法拉第按这一设想进行实验。

当法拉第还是一个装订工时,就对电学产生了兴趣,在伏打电池的吸引下做过最初的实验,在担任戴维的助手后,即进行了一系列的电学实验,从而为电磁学研究打下了良好的基础。

1831年,法拉第成功地做出了磁生电的实验。

在一个圆磁铁环的两边,各绕上绝缘的互不相连的线圈,把一组线圈的两端与电流计相连,当他把另一组线圈与伏打电池接通时,发现电流计的指针立即发生了偏转;而当电源接好后,指针又回到原来的位置。当切断电源时,指针又偏转了,然后又回到了初始位置。

始何解释这种现象呢?经过反复的实验和思考,法拉第认为:当接通电源时,由电流产生的磁力线影响了另一组线圈,使它带上电流,因此电流计的指针发生了偏转。而切断电源时,指针又动,说明电流的产生与磁力线的运动有关。

这样,法拉第发现了电磁感应现象:当穿过闭合电路的磁通量发生变化时,电路中就有电流产生,这个电流就是感生电流。

后来,他进一步确立了电磁感应的基本定律,被称为法拉第电磁感应定律:

电路中感生电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化成正比。这一发现成为现代电工学的基础,用于发电、送电等技术。

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