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电磁学之发展与世界之电化
作者:佚名  时间:2007/11/25 12:00:00  来源:论文天下论文网

摘要:现代人的生活,似乎离不开电.物理概念的发展而言,更有趣的,也更重要的是;人们怎么会从不知道用电,一步一步,变成了有了用电的能力,终于到了离不开它的地步。这段历史,也最能鲜明地描绘出:以理解大自然为目标的科学研究,对全人类可能(但不必然)产生的巨大影响。

关键词:电磁学 发展 世界电化

 

一、前言

现代人的生活,似乎离不开电。电灯、电话、电视、电影、计算机、电冰箱…,样样都是生活必须用品。一旦停电,日子不知怎么过。但世界上第一个有规模的发电厂(尼加拉水力发电厂,显示了当时电力的需求已渐普遍)开动,不过是1896年的事,距今只有一百多年。(电视连续剧「大宅门」描写清末民初电灯、电话初到北京城的情形,相当有意思。)

一百多年间,这个世界上大部份的人的生活,从几乎没有电器用品,到充满了电器用品,这变化不但是巨大得令人难以想象,并且深入到生活、思想、感情…,所有的人生面向。举个有诗意的例子:爱情上受挫折是古今中外诗歌中最常见的题材。古诗中固然有怨恨情人变心的,但也很常见的是所爱之人远在他乡,衷情难诉,以致相思甚苦。例如:古诗十九首「采之欲谁遗,所思在远道」。李白长相思「天长路远魂飞苦」等等。如今的流行歌曲中,第二种越来越少,第一种却很多。──今日的手机、e-mail等等,使距离不再成为谈情说爱的障碍,但却防不了情人变心。──这也显示了,要了解古人,就要从古人当时的情境来看才能妥切。

也许,很多人有兴趣知道最新奇的发明。但从物理概念的发展而言,更有趣的,也更重要的是;人们怎么会从不知道用电,一步一步,变成了有了用电的能力,终于到了离不开它的地步。这段历史,也最能鲜明地描绘出:以理解大自然为目标的科学研究,对全人类可能(但不必然)产生的巨大影响。

二、古代的电磁观察与应用

1936年,考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐,罐中铺了沥青,沥青上插着铁条。在大约同一地点,还发掘出了一些镀金物品。有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦人发明的电池,而镀金物(如果是电镀)是这些东西确是电池之证据。而这些东西,其年代有早到公元前2000年以上的。

如果这是真的,巴比伦人领先了近代电池(伏特,1793)与电镀(1800-35),将近四千年。

别的文明在电磁方面就没有这样可惊的成绩了。古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以生电,至今英文Electricity的字根,尚是希腊文的琥珀。但对他们说来,天上的雷电,仍然是宙斯大神的脱手武器。中国人很早就知道天然磁石会吸铁,带电物会吸小物体(东汉王充27-97「论衡」电磁力之记述:「顿牟拾介,慈石引针」),以及利用磁针导航,甚至对磁偏角有所记述(方以智,~1600)。「磁针导航」这技术,传到西方,促成了西方的「大探险时代」(15-16世纪。1492哥伦布发现美洲,1498达伽马绕过好望角到达印度,1519-22麦哲伦环绕世界一周,称为「三大航海」。他们都用磁针罗盘。)也引起了十八世纪以后的殖民主义。

这些电磁的观察与应用,可以使我们感叹古人之智能,特别是巴比伦电池。但巴比伦电池即使是事实,对日后电磁学发展,却没有什么影响。摩擦生电与磁性现象却在停滞千余年之后,在十八世纪的西欧,成为电磁学发展的出发点。

三、电之捕捉与库伦定律

十七世纪末(1684年),牛顿出版其「自然哲学数学原理」。从此,研究自然界之力之种种,成为物理学之中心课题,一直到今天。但这本书太成功了,力学的现象,从天上行星之运转,到地面苹果落地,似乎它都能精准描述。然而,牛顿此书中只有一种力:万有引力。牛顿也知道自然界绝不止这一种力,例如,杯子打破了,碎片不可能凑起来就合而为一,可见原来把杯子各部份连合成一块的力不是万有引力;万有引力太微弱,不足以使物体聚合成形。故牛顿以后,要做有挑战性的研究,莫过于研究万有引力之外的力。

电与磁都会产生力,而且比万有引力大很多。(如果两块磁铁,吸在一起,使其相聚之力是磁力,就可以分分合合。)因此,十八世纪的欧洲,很多人在研究电与磁。特别是电,更富挑战性。因为电这个东西,虽然摩擦两个适当的物体,就能产生。带电物体会吸小纸片,有时还会在黑暗处冒火花,好玩得很。(当时,还有人发明了摩电器。)但是,却不容易驾驭,一不小心就被它溜掉。

1734年,法国人杜菲(Charles-Francois du Fay,1696-1739),玩来玩去,玩出心得。他发觉不管是用什么东西摩出来的,电只有两种。他命名之为「玻璃电」与「树脂电」。只有不同类的电,相互靠近时才会相吸或冒火花,同类的不但不冒火花,还会相斥。他又发明了一个器具:密封的玻璃瓶中,插入一根金属棒,瓶内的一端,挂上两片金箔;瓶外的一端,做成一个小球。带电的物体靠近小球时,金箔就会张开。──这些,今日看来都没有什么了不起,但在电还是「神出鬼没」的时候,这是不简单的成就。

然而,每次玩电,都要从头摩起,相当烦人。1745年,荷兰莱顿大学教授穆森布洛克(Petrus van Musschenbrock,1692-1761),根据克莱斯特(E. G. Kleist, 1700-48)发明的储电器,发表了「莱顿瓶」。这也是一个玻璃瓶,内外壁上各贴一圈锡箔纸。内壁可以「充电」(把摩擦来的电碰触而输进去),这些电很久都不会跑掉。如果用两根金属线,把内外相连,两金属线的缝隙中就可以产生火花。

今日来看,「莱顿瓶」不过是个简单的电容器,但当时极受欢迎。瓶子越做越大,火花也更壮观。可是,电到一下可不是好玩的(也有人特意去尝一下被电的滋味)。这可以说这是人类驯服电的开始(姑且不算巴比伦),但也开始领教了电的威力。

十八世纪初,美国还是欧洲的化外之地,文化落后,更无所谓科学。波士顿的一个做肥皂与蜡烛的工匠,十七个子女中的第十个,自学有成,文采斐然。与欧洲,特别是英国的科学家,保持通信。他从英国进口仪器开始,研究电学而成名,到后来被英国皇家学院选为院士。在美国的独立革命中,他以著名科学家的身份,出使法国,立下大功。也在独立宣言(1776)上签名,成为美国的开国元勋之一。他就是鼎鼎大名的富兰克林(Benjamin Franklin,1709-1790)。

1752年,他在大雷雨中放风筝,把天上的电,收到莱顿瓶中。从此证明了天上的电,与摩擦出来的电是一样的;一般人所怕的雷,声势吓人,其实并不可怕,伤人破屋的是电。进一步,他就发明了避雷针:建筑物上装一根金属针,通到地下,屋中的人就不怕雷了,因为电就会被导入地下。(新英格兰有一教堂中的牧师,认为避雷针保护好人,也保护坏人,有碍上帝的意旨,故在讲道中大加谴责。不料没几天,教堂受到雷击,塌了一角,只好也装上避雷针。)此外,他注意到了两种电有相互扺消的现象,所以他建议把「玻璃电」与「树脂电」改名为「正电」与「负电」(模拟于正数与负数之相互扺消)。

富兰克林的正负电命名,沿用至今,但是却有些不幸。因为常用的金属导线中流动的都是电子,而电子上所带的电,却被命名为负电。以致电线中的电流若是向左,其中电子其实是向右跑。

「正数与负数之相互扺消」这事中,含有量的关系(+3,-3可以相消,+3,-2就消不干净。)「电荷量」之测定,却要归功于法国人库伦(Charles Augustin Coulomb, 1736- 1806)。(也有人得到类似的结果,但以他的发表最早,影响也最大。)

库伦出身兵工军官,早年在中美洲驻扎时,把身体搞坏,回国做研究。法国大革命(1789)后退隐家园。他发现了用细长绳索吊挂一根细棍,细棍两端对称以维持水平。两端若受水平方向之微力,则以的绳索之扭曲以平衡之。这「扭称」(torsion balance)可以做很精

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