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      電流——人類最偉大的十個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之六

       也夫 2007-01-21
      電流——人類最偉大的十個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之六
      作者:塔米姆·…    文章來源:科技園

       

      世界著名的網(wǎng)絡(luò)科普作家塔米姆·安薩利(Tamim Ansary)在其新著(10 Great Scientific Discoveries)中總結(jié)了對(duì)人類社會(huì)發(fā)展有重大影響的、最偉大的十個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這之中,我們有的了如指掌,有的似熟悉的陌生人,但不管怎樣,這些跨越了漫長歷史時(shí)空的科學(xué)人物、科學(xué)故事,實(shí)實(shí)在在地能給予我們深刻的感動(dòng)與啟示。

      本站將陸續(xù)推出這十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的故事,它們分別是勾股定理微生物的存在、三大運(yùn)動(dòng)定律、物質(zhì)結(jié)構(gòu)血液循環(huán)、電流、物種進(jìn)化、基因、熱力學(xué)四大定律、光的波粒二相性,敬請(qǐng)關(guān)注。 

      電流——人類最偉大的十個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)之六

      塔米姆·安薩利

      古希臘人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用毛皮磨擦過的琥珀能吸引一些像絨毛、麥稈等一些輕小的東西,他們把這種現(xiàn)象稱作“電”。公元前585年,古希臘第一位自然哲學(xué)家泰勒斯(Thales,公元前625-公元前545年)(如下左圖)已經(jīng)注意到摩擦(帶電)的琥珀能吸引細(xì)小的絨毛。這是西方世界關(guān)于電現(xiàn)象最早的觀察記錄。今天英語中“Electricity”(電)這個(gè)詞在古希臘語中的意思就是“琥珀”。

       

      英國物理學(xué)家、醫(yī)生吉爾伯特(William Gilbert,15441603(如上右圖)做了多年的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了“電力”,“電吸引”等許多現(xiàn)象,并最先使用了“電力”、“電吸引”等專用術(shù)語,因此許多人稱他是電學(xué)研究之父。他的主要著作為1600年出版的《論磁性、磁體和巨大地磁體》(如下左圖)。全書分為6篇,這是他約17年的研究結(jié)晶,記錄了600余個(gè)實(shí)驗(yàn),敘述了磁的歷史及五種磁運(yùn)動(dòng)。第二篇中有一章敘述了電的實(shí)驗(yàn)。這本書堪稱物理學(xué)史上第一部系統(tǒng)闡述磁學(xué)的科學(xué)專著。在吉爾伯特之后的200年中,又有很多人做過多次試驗(yàn),不斷地積累對(duì)電的現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

              

      1734年法國人杜菲(Charles-Francois du Fay,16961739(如上右圖)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)帶電的玻璃和帶電的琥珀是相互吸引的,但是兩塊帶電的琥珀或者兩塊帶電的玻璃則是相互排斥的。杜菲根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)斷定電有兩種:一種是與琥珀帶電的性質(zhì)相同,叫做“琥珀電”;一種是與玻璃帶電的性質(zhì)相同,叫做“玻璃電”。

       

      1745年普魯士(德國的前身)的一位副主教克萊斯特(Ewald Georg von Kleist,1700-1748)在實(shí)驗(yàn)中克萊斯特利用導(dǎo)線將摩擦所起的電引向裝有鐵釘?shù)牟A俊.?dāng)他用手觸及鐵釘時(shí),受到猛烈的一擊,他由此發(fā)現(xiàn)了放電現(xiàn)象。

         

      1746年,荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授馬森布羅克(Pieter von Musschen,16921761(如上左圖)在克萊斯特發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)下發(fā)明了收集電荷的“萊頓瓶”(如上右圖)。因?yàn)樗吹胶貌蝗菀灼鸬玫碾妳s很容易地在空氣中逐漸消失,他想尋找一種保存電的方法。有一天,他用一支槍管懸在空中,用起電機(jī)與槍管連著,另用一根銅線從槍管中引出,浸入一個(gè)盛有水的玻璃瓶中,他讓一個(gè)助手一只手握著玻璃瓶,馬森布羅克在一旁使勁搖動(dòng)起電機(jī)。這時(shí)他的助手不小心將另一只手與槍管碰上,他猛然感到一次強(qiáng)烈的電擊,喊了起來。馬森布羅克于是與助手互換了一下,讓助手搖起電機(jī),他自己一手拿水瓶子,另一只手去碰槍管。

      “我想告訴你一個(gè)新奇但是可怕的實(shí)驗(yàn)事實(shí),但我警告你無論如何也不要再重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。……把容器放在右手上,我試圖用另一只手從充電的鐵柱上引出火花。突然,我的手受到了一下力量很大的打擊,使我的全身都震動(dòng)了,……手臂和身體產(chǎn)生了一種無法形容的恐怖感覺。一句話,我以為我命休矣。”

      雖然馬森布羅克不愿再做這個(gè)實(shí)驗(yàn),但他由此得出結(jié)論:把帶電體放在玻璃瓶內(nèi)可以把電保存下來。只是當(dāng)時(shí)搞不清楚起保存電作用的究竟是瓶子還是瓶子里的水,后來人們就把這個(gè)蓄電的瓶子稱作“萊頓瓶”,這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為“萊頓瓶實(shí)驗(yàn)”。這種“電震”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),轟動(dòng)一時(shí),極大的增加了人們對(duì)萊頓瓶的關(guān)注。

       

      18世紀(jì)中葉,在大洋彼岸的美國科學(xué)家本杰明·富蘭克林(Benjamin Franklin,17061790(如右圖)又做了多次實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步揭示了電的性質(zhì),并提出了電流這一術(shù)語。他認(rèn)為電是一種沒有重量的流體,存在于所有的物體之中。如果一個(gè)物體得到了比它正常的份量更多的電,它就被稱之為帶正電(或“陽電”);如果一個(gè)物體少于它正常份量的電,它就被稱之為帶負(fù)電(或“陰電”)。所謂放電就是從正電流向負(fù)電的過程。富蘭克林的這一說法,在當(dāng)時(shí)確實(shí)能夠比較圓滿地解釋一些電的現(xiàn)象,但對(duì)于電的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與我們現(xiàn)在的“兩個(gè)物體互相磨擦?xí)r,容易移動(dòng)的恰恰是帶負(fù)電的電子”的看法卻相反。

      富蘭克林對(duì)電學(xué)的另一重大貢獻(xiàn),就是通過1752年著名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn),“捕捉天電”,證明天空的閃電和地面上的電是一回事(如左圖)。他用金屬絲把一個(gè)很大的風(fēng)箏放到云層里去。金屬絲的下端接了一段繩子,另在金屬絲上還掛了一串鑰匙。當(dāng)時(shí)富蘭克林一手拉住繩子,用另一手輕輕觸及鑰匙。他立即感到一陣猛烈的沖擊(電擊),同時(shí)還看到手指和鑰匙之間產(chǎn)生了小火花。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明:被雨水濕透了的風(fēng)箏的金屬線變成了導(dǎo)體,把空中閃電的電荷引到手指與鑰匙之間。這在當(dāng)時(shí)是一件轟動(dòng)一時(shí)的大事。一年后,富蘭克林制造出了世界上第一個(gè)避雷針。

      1780年,意大利科學(xué)家伽伐尼(Luigi Galvani,17371798)(如下左圖)在一次解剖青蛙時(shí)有一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn),一只已解剖的青蛙放在一個(gè)潮濕的鐵案上,當(dāng)解剖刀無意中觸及蛙腿上外露的神經(jīng)時(shí),死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn),又觀察到同樣的現(xiàn)象。他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,選擇各種不同的金屬,例如銅和鐵或銅和銀,接在一起,而把另兩端分別與死蛙的肌肉和神經(jīng)接觸,青蛙就會(huì)不停地屈伸抽動(dòng)(如下右圖)。如果用玻璃、橡膠、松香、干木頭等代替金屬,就不會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象。他認(rèn)為這是一種生物電現(xiàn)象,他的《關(guān)于電對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)的作用》論文于1791年發(fā)表。

        

       

      1791年意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打(Alessandro Volta,17451827)(如右圖)得知伽伐尼的這一發(fā)現(xiàn),引起了他的極大興趣,作了一系列實(shí)驗(yàn),甚至還在自己身上做實(shí)驗(yàn)。他用兩種金屬接成一根彎桿,一端放在嘴里,另一端和眼睛接觸,在接觸的瞬間就有光亮的感覺產(chǎn)生。他用舌頭舔著一枚金幣和一枚銀幣,然后用導(dǎo)線把硬幣連接起來,就在連接的瞬間,舌頭有發(fā)麻的感覺。這些實(shí)驗(yàn)證明:電不僅能夠產(chǎn)生顫動(dòng),而且還會(huì)影響視覺和味覺神經(jīng)。

      1793年伏打發(fā)表一篇論文,總結(jié)了自己的實(shí)驗(yàn),不同意伽伐尼關(guān)于動(dòng)物生電的觀點(diǎn)。他認(rèn)為伽伐尼電在質(zhì)上是一種物理的電現(xiàn)象,蛙腿本身不放電,是外來電使蛙腿神經(jīng)興奮而發(fā)生痙攣,蛙腿實(shí)際上只起電流指示計(jì)的作用。伏打在伽伐尼實(shí)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上,致力研究兩種不同金屬的接觸。他得出了新的結(jié)論,認(rèn)為兩金屬不僅僅是導(dǎo)體,而且是由它們產(chǎn)生電流的。用伏打自己的話來說:金屬是真正的電流激發(fā)者,而神經(jīng)是被動(dòng)的。伏打并把這種電流命名為“金屬的”或“接觸的”電流。

      伏打還發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬浸入某些液體時(shí),也會(huì)發(fā)生同樣的電流效應(yīng)。伏打開始是用幾只碗盛了鹽水,把幾對(duì)黃銅和鋅做成的電極連接起來,就有電流產(chǎn)生。1800320,伏打宣布了一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn),這就是著名的“伏打電池”(如右圖)。他用30塊、40塊、60塊或更多的銅片(最好是用銀片),每一片都和一塊錫片(最好是鋅片)接觸,并且用相同數(shù)目的水層或比純水更好些的導(dǎo)電液體層,如食鹽水或堿水等,或是浸透這些液體的紙殼或皮革……。銀片和鋅片是兩種不同的金屬,鹽水或其他導(dǎo)電溶液作為電解液,它們構(gòu)成了電流回路。這是一種比較原始的電池,是由很多銀鋅電池連接而成的電池組。

      伏打證明這個(gè)堆的一端帶正電,另一端帶負(fù)電,當(dāng)時(shí)引起極大的轟動(dòng)。這是第一個(gè)能人為產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)電流的裝置,為電流現(xiàn)象的研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ),也為電流效應(yīng)的應(yīng)用打開了前景,并很快成為進(jìn)行電磁學(xué)和化學(xué)研究的有力工具,促使電學(xué)研究有一個(gè)巨大的進(jìn)展。伏打的成就受到各界普遍贊賞,科學(xué)界用他的姓氏命名電勢(shì),電勢(shì)差(電壓)的單位,為“伏特”(就是伏打,音譯演變的),簡稱“伏”。

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