新疆2015年国考职位表:电流:人类最伟大的十个科学发现之六

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古希腊人已经发现用毛皮磨擦过的琥珀能吸引一些像绒毛、麦杆等一些轻小的东西,他们把这种现象称作“电”。公元前585年,古希腊第一位自然哲学家泰勒斯(Thales,公元前625~公元前545年)(右图)已经注意到摩擦(带电)的琥珀能吸引细小的绒毛。这是西方世界关于电现象最早的观察记录。今天英语中“电(Electricity)”这个词在古希腊语中的意思就是“琥珀”。

                              

英国物理学家、医生吉尔伯特(William Gilbert,1544~1603)(左图)做了多年的实验,发现了“电力”,“电吸引”等许多现象,并最先使用了“电力”、“电吸引”等专用术语,因此许多人称他是电学研究之父。他的主要著作为1600年出版的《论磁性、磁体和巨大地磁体》(右图)。全书分为6篇,这是他约17年的研究结晶,记录了600余个实验,叙述了磁的历史及五种磁运动。第二篇中有一章叙述了电的实验。这本书堪称物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。在吉尔伯特之后的200年中,又有很多人做过多次试验,不断地积累对电的现象的认识。

        

1734年法国人杜菲(Charles-Francois du Fay,1696~1739)(左图)在实验中发现带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的,但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲根据大量的实验事实断定电有两种:一种是与琥珀带的电性质相同,叫做“琥珀电”;一种是与玻璃带的电性质相同,叫做“玻璃电”。

1745年普鲁士(德国的前身)的一位副主教克莱斯特(Ewald Georg von Kleist,1700-1748)在实验中克莱斯特利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时,受到猛烈的一击,他由此发现了放电现象。

                 

1746年,荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克((Pieter von Musschen,1692~1761)(右图)在克莱斯特发现的启发下发明了收集电荷的“莱顿瓶”(右图)。因为他看到好不容易起得的电却很容易地在空气中逐渐消失,他想寻找一种保存电的方法。有一天,他用一支枪管悬在空中,用起电机与枪管连着,另用一根铜线从枪管中引出,浸入一个盛有水的玻璃瓶中,他让一个助手一只手握着玻璃瓶,马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将中另一只手与枪管碰上,他猛然感到一次强烈的电击,喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下,让助手摇起电机,他自己一手拿水瓶子,另一只手去碰枪管。

“我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实,但我警告你无论如何也不要再重复这个实验。......把容器放在右手上,我试图用另一只手从充电的铁柱上引出火花。突然,我的手受到了一下力量很大的打击,使我的全身都震动了,……手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话,我以为我命休矣。”

虽然马森布罗克不愿再做这个实验,但他由此得出结论:把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水,后来人们就把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”,这个实验称为“莱顿瓶实验”。这种“电震”现象的发现,轰动一时,极大的增加了人们对莱顿瓶的关注。

 

 

18世纪中叶,在大洋彼岸的美国科学家本杰明.富兰克林(Benjamin Franklin,1706~1790)(左图)又做了多次实验,进一步揭示了电的性质,并提出了电流这一术语。他认为电是一种没有重量的流体,存在于所有的物体之中。如果一个物体得到了比它正常的份量更多的电,它就被称之为带正电(或“阳电”);如果一个物体少于它正常份量的电,它就被称之为带负电(或“阴电”)。所谓放电就是正电流向负电的过程。富兰克林的这一说法,在当时确实能够比较圆满地解释一些电的现象,但对于电的本质的认识与我们现在的“两个物体互相磨擦时,容易移动的恰恰是带负电的电子”的看法却相反。

富兰克林对电学的另一重大贡献,就是通过1752年著名的风筝实验,“捕捉天电”,证明天空的闪电和地面上的电是一回事(右图)。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里去。金属丝的下端接了一段绳子,另在金属丝上还挂了一串钥匙。当时富兰克林一手拉住绳子,用另一手轻轻触及钥匙。他立即感到一阵猛烈的冲击(电击),同时还看到手指和钥匙之间产生了小火花。这个实验表明:被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体,把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间。这在当时是一件轰动一时的大事。一年后,富兰克林制造出了世界上第一个避雷针。  

                      

1780年,意大利科学家伽伐尼(Luigi Galvani,1737~1798)(左图)在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现,一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上,当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时,死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验,又观察到同样的现象。他以严谨的科学态度,选择各种不同的金属,例如铜和铁或铜和银,接在一起,而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触,青蛙就会不停地屈伸抽动(右图)。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属,就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象,他的《关于电对肌肉运动的作用》论文于1791年发表。    

                   

1791年意大利物理学家亚历山德罗.伏打(Alessandro Volta,1745~1827)(左图)得知伽伐尼的这一发现,引起了他的极大兴趣,作了一系列实验,甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆,一端放在嘴里,另一端和眼睛接触,在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币,然后用导线把硬币连接起来,就在连接的瞬间,舌头有发麻的感觉。这些实验证明:电不仅能够产生颤动,而且还会影响视觉和味觉神经。

1793年伏打发表一篇论文,总结了自己的实验,不同意伽伐尼关于动物生电的观点。他认为伽伐尼电在质上是一种物理的电现象,蛙腿本身不放电,是外来电使蛙腿神经兴奋而发生痉挛,蛙腿实际上只起电流指示计的作用。 

伏打在伽伐尼实险的基础上,致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论,认为两金属不仅仅是导体,而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说:金属是真正的电流激发者,而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。

伏打还发现当金属浸入某些液体时,也会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水,把几对黄铜和锌做成的电极连接起来,就有电流产生。1800年3月20日,伏打宣布了一个重要的发现,这就是著名的“伏打电池”(右图)。他用30块、40块、60块或更多的铜片(最好是用银片),每一片都和一块锡片(最好是锌片)接触,并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层,好食盐水或碱水等,或是浸透这些液体的纸壳或皮革……银片和锌片是两种不同的金属,盐水或其他导电溶液作为电解液,它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池,是由很多银锌电池连接而成的电池组。

伏打证明这个堆的一端带正电,另一端带负电,当时引起极大的轰动。这是第一个能人为产生稳定、持续电流的装置,为电流现象的研究提供了物质基础,也为电流效应的应用打开了前景,并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具,促使电学研究有一个巨大的进展。伏打的成就受到各界普遍赞赏,科学界用他的姓氏命名电势,电势差(电压)的单位,为“伏特”(就是伏打,音译演变的),简称“伏”。