青少年不可不知的世界科技史-电磁学的发展
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    对人类生活有着巨大影响的电和磁的应用,是科学家们不懈努力的结果。这一领域的代表人物有被称为“电磁学之父”的英国物理学家吉伯,有电气研究的先驱美国物理学家、社会活动家富兰克林,有法国物理学家库仑,有发明了电池的意大利物理学家伏打,有发现电流引起磁效应的丹麦物理学家奥斯特,有为电动力学奠定基础的法国物理学家安培,有创造了电磁学史上的第一台感应发电机的英国物理学家、化学家法拉第。电磁学之父——吉伯吉伯(1544~1603)吉伯,英国物理学家,出生于科尔切斯特。

    1560年他毕业于剑桥大学圣约翰学院,获文学学士学位。1564年获文学硕士学位。1569年获医学博士学位。吉伯被称为“电磁学之父”,物理学上曾以他的名字定为磁通势单位。他首先创用电力、电引力、磁极等术语;描述用天然磁石摩擦铁棒使它磁化的方法,还发现带磁性的铁棒烧红后就失去磁性。吉伯认为地球是一块最大的磁石,地球引力就是这块大磁石作用于周围物体的磁力。他还观察到罗盘针在自由悬空时向下指向地球,从而证明存在地磁倾角,指出地球南北极不完全与地理南北极重合,而有一个不太大的偏离。吉伯支持哥白尼关于地球绕自轴旋转的观点,断定恒星与地球的距离是不一样的,认为磁性的吸引使行星维持在固有的轨道上。

    吉伯主要著作有《论磁石》,这是物理学史上第一部磁学专著。

    富兰克林——电学先驱富兰克林(1706~1790)富兰克林,美国物理学家、社会活动家,出生于波士顿。

    他12岁到印刷所当学徒,未上过正规学校。他曾获耶鲁大学、哈佛大学、牛津大学等的名誉学位,是英国皇家学会第一批外国会员之一,还是法国科学院的院士,1731年在费城建立北美第一个公共图书馆。

    富兰克林是电气研究的先驱者,他进行过各种新的电气实验,提出所谓电荷守恒概念,用数学上的正负概念来表示两种电荷性质,还发明了避雷针等。

    富兰克林最著名的科学试验是在费城一个雷雨天里进行的一次震动世界的、用风筝吸取天电的试验,证明静电和动电的性质相同。这个发现在电学史上具有十分重要的意义。

    富兰克林的研究成就并不限于电学方面,他对光学、热学、化学、植物学等都有贡献。

    富兰克林在哲学上拥护自然神论,承认自然界的存在及其规律的客观性,他对自然现象的观察和研究相当广泛,特别是那种敢实验的精神,给人留下深刻印象。危险的实验

    有一次,富兰克林做电学实验着了迷,抑制不住的他想为即将到来的圣诞节创造出一个奇迹,于是他设计了一个“电火鸡”的实验。

    在实验中,富兰克林准备用从两只大玻璃缸中引出的电杀死一只火鸡,当他一只手在连接着的顶部电线上,另一只手握住与两个缸体表面都相连着的一根链子时,突然蹿出一道耀眼的电火,同时发出了如同放爆竹一样的巨大响声。富兰克林应声倒地,整个身子在剧烈地颤抖,握着链子的手蜷缩成鸡爪状,双目紧闭,面无血色。十几分钟之后,富兰克林才清醒过来,他慢慢地睁开眼睛,用微弱的声音告诉周围的人,他似乎见到了上帝。

    科学家也是人,他们也会犯错误,而科学家的过人之处恰恰在于他们能从错误和失败之中揭示出鲜为人知的真理的奥秘。从这次挫折中,富兰克林得出了一个结论,串联起来的足够多的电瓶可以释放出如同闪电那样巨大的电流。

    “请电”做客

    富兰克林通过电学实验认识到了闪电的本质与电相同。但怎样才能证实闪电的本质和电相同呢?他想到了孩子们玩的风筝。如果在雷雨天的时候把风筝升到空中,或许能证实这一点。因为如果闪电是电,它就会沿着湿风筝线传导下来。

    那是夏天一个阴霾密布的日子,暴风雨就要来临。富兰克林和他儿子威廉用一块大丝绸手帕做成一只风筝,他们在十字形的风筝骨架上装上金属丝,用来接引天空中的闪电。父子俩带着风筝和一只莱顿瓶来到野外。

    不一会儿,雷声越来越近,狂风呼啸着卷过一团团乌云。富兰克林把风筝抛到风中,大声叫喊:“跑!”

    威廉在旷野里拼命地奔跑起来,风筝扶摇直上,升到空中,紧接着大雨倾盆,雷电交加。

    富兰克林的眼里闪烁着兴奋的光芒,狂奔起来。他追上威廉,接过风筝线,拉着儿子躲进旁边一座建筑物。这时候,他们的外衣已经湿透了。富兰克林掏出一把铜钥匙,系在风筝线的末端。只见风筝穿进带有雷电的云层,闪电在风筝上闪烁,雷声隆隆。

    突然,一道闪电掠过。风筝线上有一小段直立起来,被一种看不见的力移动着。富兰克林觉得他的手有麻木的感觉,就把手指靠近铜钥匙。顷刻之间,钥匙上射出一串串电火花。

    “哎哟!”富兰克林叫喊了一声,赶紧把手离开钥匙。无限的欢乐也像电流一样,顿时传遍他的全身。他喊起来:“威廉!我受到电击了!现在可以证明,闪电就是电!”幸运的是,这次传下来的闪电比较弱,富兰克林没有受伤。

    事后,富兰克林用莱顿瓶收集的闪电,进行了一系列实验,证明它的性质同用起电机产生的电荷完全相同。

    “驯服”雷电

    富兰克林从风筝实验中,不但了解了雷电的性质,而且证实了雷电是可以从天空“走”下来的。“高大建筑物常常遭到雷击,能不能给雷电搭一个梯子,让它乖乖地‘走’下来呢?”富兰克林想。

    他先在自己家里做实验,在屋顶高耸的烟囱上,安装一根3米长的尖顶细铁棒。在细铁棒的下端绑上金属线,沿着楼梯,把金属线引到底楼的一个水泵上(水泵与大地有接触),将经过房间的那段金属线分成两段,又将两股线相隔一段距离,各挂一个小铃。这样如果雷电从细铁棒进入,经过金属线进入大地,那么,两股线受力,小铃就会晃荡,从而发出响声。

    电闪雷鸣,暴风雨就要来了。在雷声、雨声的“伴奏”下,守候在房间小铃旁的富兰克林,听到了小铃发出清脆、悦耳的声音,他高兴地笑了。

    富兰克林把那根细铁棒称为“避雷针”。避雷针的问世,引起了教会的反对。他们认为:“装在屋顶的尖杆指向天空是对上帝的不敬”,“干涉上帝的事,对上帝指手画脚,是要受上帝惩罚的”。

    然而,有一次在一场雷雨之后,神圣的教堂着火了,而装有避雷针的房屋却平安无事。于是,避雷针的作用被人们认识,避雷针也很快地传开了。到了1784年,全欧洲的高楼顶上都用了避雷针。

    库仑发现库仑定律库仑(1736~1806)库仑,法国物理学家,出生于昂古莱姆。

    库仑曾在巴黎军事工程学院学习。1774年被选为法国科学院院士。库仑是18世纪一位学识渊博的学者,在物理学上作出许多重要贡献。1781年,他发表一篇重要论文《简单机械理论》,提出摩擦力和作用于物体表面上的正压力成正比的关系。他证明地球磁场对磁铁的作用,相当于与偏差角的正弦成正比的一力偶,并据此推断出,在解释磁作用时需要使用吸引力和排斥力作为对抗涡流。他建立磁体在磁场中的运动方程式,并根据短的振荡时间推导出磁矩。他发明扭力平衡法以测量电的排斥力,并把结果推广到实验上更困难的排斥力情况中,推导出表示两静止点电荷间相互作用力的定律,即著名的库仑定律。他还致力于导体上电荷分布的研究,证明导体的全部电荷都集中在表面上。

    库仑的著作还有《金属力和弹性的理论和实验研究》、《电气与磁性》等。

    库仑是18世纪与英国卡文迪许齐名的物理学家,后人为了纪念他,把电量单位定为“库仑”,简称“库”。

    伏打发明电池伏打(1745~1827)伏打,意大利物理学家,出生于科莫。

    伏打在科学上的主要贡献是1799年发明了“伏打电池”。这种电池由用盐水浸泡的铜片和锌片相间堆集组成,用导线把两端连接起来,导线中就形成稳定的电流。

    伏打电池的发明改变了电学的面貌,它使科学家有了强大的电流源,以前摩擦起电的机构和莱顿电瓶电容器虽可产生电位差,但电流很小。

    伏打在发明电池后又发明了验电器、储电器和起电盘,这些发明在电学上起了很大作用。人们为了纪念他,把电动势、电位差、电压的单位定为“伏特”,简称“伏”。电池的发明

    伏打像往常一样来到图书馆,他像淘金者一样,翻阅着一本本书。突然,一本德国科学家的实验报告汇编引起了他的注意。他发现这本书记载了一个叫兹路扎的科学家在1750年左右做的一个实验。

    兹路扎在实验报告中说,把两块不同的金属分别夹在舌尖的上下,然后用一根金属导线连接两块金属板,此时,舌头上会有一种麻木的感觉。如果用两块相同的金属片夹在舌尖的上下,就没有这种感觉。

    “我找到突破口了!”伏打看完这个实验报告,欣喜若狂。回到实验室后,伏打马上找到一块薄锡片和一枚新银币,并用一根导线将它们连接起来。果然,他的舌头出现了麻木的感觉。

    “这是触电的感觉。”伏打对他的助手说,“导线中肯定有电在流动。”

    伏打发现,不但单独使用锡片或银币在口腔里做这个实验时,没有这种感觉,而且将锡片和银片连接后放在清水中做实验时,也没有任何感觉。“这是什么原因呢?”伏打推测可能是口腔中含有稀酸的缘故。

    根据这一推测,伏打改用稀酸做兹路扎实验。果然,发现有麻木的感觉。

    稀酸实验的成功给伏打很大的信心,他决定生产一种能产生和储存电能的装置。

    伏打和他的助手用台钳和剪子加工了一块较大的银片和锌片,并用一根导线将它们连接起来,然后在两块金属片的中间做一个夹层。接着,又用两根导线连接锌片和银片,以作为两极。最后,把这个装置放入装有稀酸的溶液中。伏打用手触摸导线,感到一阵麻木,手发生强烈的痉挛。

    “我触电啦!我成功啦!”伏打兴奋无比。

    然而,新装置给伏打带来的喜悦是短暂的。不久,这个“宝贝”就没有输出电了。伏打明白,这是储存电能太少的缘故。他决定做一个储存电能多一些的装置。

    于是,伏打又提出新的方案。他把几个装有稀酸的杯子排在一起,然后在每个杯子中都装着一块锌片和一块铜片,并将前一个杯子里的铜片和后一杯子里的锌片用导线连接。最后,两端用导线接出。

    伏打用手指捏住两端的导线。他不仅感到手指麻木,而且身上也有这种感觉。这说明新的电源装置产生了相当大的电压。

    于是,“伏打电堆”作为最早的干电池,传遍世界各地,引起了一场电学的革命。后来,人们把它称为“伏打电池”。

    奥斯特发现电流的磁效应奥斯特(1777~1851)奥斯特,丹麦物理学家,出生于兰格朗岛的鲁德乔宾。

    1799年他毕业于哥本哈根大学,获哲学博士学位。奥斯特在科学上的主要贡献是发现电流引起的磁效应。根据他自己的叙述,这一发现是在1820年春天的一次演讲中提出,而于同年夏天宣布的。实际上早在1812年在他所发表的《关于化学定律的见解》一文中,就提出了电和磁之间存在联系的问题。磁效应的发现在科学上具有重大意义,促进了电磁学的迅速发展。

    奥斯特经过多次失败后,于1822年采用精致的压力计和确保增加的压力作用于水容器内外两侧,首次得到水可压缩性的相当精确的数据。1823年,根据对温差电偶接头的研究结果,得出结论,这种接头在比伏打电池低得多的电位差下,能产生较高的电流。他还对库仑的扭秤做了某些重要改进。

    奥斯特的主要著作有《关于电效应的实验》等。

    安培与电动力学安培(1775~1836)安培,法国物理学家,出生于里昂。

    安培从小具有惊人的记忆力,尤其在数学方面有非凡的天赋。他13岁就能理解有关圆锥曲线的原理,是一位主要靠自学取得成就的科学家。青年时他生活贫苦,靠为私人补习数学来维持生活。1805年他定居巴黎,担任法兰西学院的物理教授。安培的兴趣是多方面的,他不但钻研数学,而且对物理学、化学等都感兴趣,同时还花大量时间研究心理学、伦理学。1820年,奥斯特提示电流对磁针作用的现象,引起了物理学家们的重视。安培也立即投入这方面的研究,不久就发表了关于通电导线之间相互作用的论文,引起当时科学界的重视。安培通过实验总结,得出了表示通电导线在磁场中受力情况的公式,称为安培公式;提出了表示电流和它所引起的磁场之间方向关系的定则,称为安培定则;发现环路定律,即在磁场中通过任何闭合线磁场强度的环流,正比于闭合线所围电流的代数和,称为安培环路定律,简称安培定律;创立了分子电流学说,即分子或原子中由电子运动而形成电流,物质的磁性可用分子电流来说明。

    安培在电磁学中发现一些重要原理,为电动力学奠定初步基础。后人把电流强度单位定为“安培”,简称“安”,以纪念他的功绩。

    安培的主要著作有《电动力观察文集》、《电动力现象原理概论》等。

    法拉第与现代电工学法拉第(1791~1867)法拉第,英国物理学家、化学家,出身于伦敦一个铁匠家庭。

    由于家境贫苦,他12岁上街卖报,13岁到一家图书装订店当学徒,利用业余时间刻苦学习,把前人有关电气方面的论述都搜集起来以进行系统研究。

    1812年,法拉第成为科学家戴维在皇家学会实验室的助手,随同戴维先后到法国、意大利、德国和比利时访问、讲学,得到了一次很好的锻炼。

    1820年,奥斯特关于金属线通电使附近磁针转动的发现,引起法拉第深思,既然电流能产生磁,那么磁能否产生电呢?为了弄清电磁关系,经过反复的研究和实验,终于在1831年发现了磁感应生电的现象,从而确定了电磁感应的基本定律,成为现代电工学的基础。利用这一现象,他创造了电磁学史上的第一台感应发电机,成为今天各种复杂电机的始祖。1837年他引入电场和磁场的概念,取得许多重要成果,如发现磁致旋光效应(称为法拉第效应)等。1852年他又引入电力线和磁力线的概念,解决了金属线与磁铁的相对运动是产生感应电流的必要条件的问题。1833~1834年他由实验得出电解定律,称为法拉第电解定律,这是电荷不连续性最早的有力证据(但当时还没有得出这一结论)。

    法拉第发表过关于能量转换方面的论文,指出能的统一性和多样性,反对超距作用,认为作用的传递都必须经过某种物质媒介,用实验证明电介质在静电现象中对作用力的影响。

    法拉第在化学方面也有很大贡献。特别是发现了苯,对有机化学的产生和发展起了较大作用。科学的威力

    有一次,法拉第和老师戴维到公爵府中做客,戴维尽管口若悬河,还是无法使公爵相信金刚石是由纯碳构成的。公爵从手指上取下一板钻石戒指,递给戴维说:“您说这颗美丽的钻石是纯碳构成的。请您把它烧掉吧!那时我才会相信您的话。”

    “法拉第!”戴维向恭敬地站在椅子旁的法拉第招呼道,“拿一个高倍数的放大镜来,准备好焙烧用具,让我们来说服公爵大人。”

    没过多久,一切都已安排停当。法拉第准备器具和往常一样迅速、准确。他把钻石放进小箱里,用炽热的火焰加热,再把这颗光彩夺目的钻石放在一束用透镜聚焦的强烈阳光下。戒指很快熔化,但钻石却原封未动。公爵扬扬得意地观察着所发生的一切。可是,这种情况并没有持续多久,温度升得很高后,眼看钻石逐渐缩小,最后完全不见。公爵大吃一惊:“怪事!我的金刚石居然蒸发掉了!”他喃喃自语道。

    “不是蒸发掉了,而是燃烧掉了。”戴维纠正道。

    发电机之“祖”

    法拉第创造出世界上第一台感应发电机。这一年的除夕,他满面春风地向他的亲朋好友表演这个新发明。

    这是一台别致的装置,将一个中心有轴的圆形铜盘固定在支架上,铜盘取垂直方向,并且伸进一块水平固定的马蹄形磁铁两极间。铜盘的中轴连接一根导线,铜盘边缘同另一根导线保持接触,两根导线同一只电流计相连。在烛光的映照下,铜盘更显得光泽夺目。客人们围在四周,兴趣盎然地观看着。

    法拉第大声宣布:“开始!”只见他转动摇柄,铜盘在两个磁极间不停地旋转起来。由于铜盘的各部分都切割了磁力线,电流针的指针逐渐偏离零位,微微颤动地指示出电流的读数,铜盘转动越快,电流的读数则越大。

    客人们都赞不绝口。只有一位好挑剔的贵妇人不以为然,她取笑地问法拉第:“先生,你发明的这玩意儿有什么用呢?”

    法拉第回答道:“夫人,新生的婴儿又有什么用呢?”

    人群中顿时爆发出一阵喝彩声。

    这台小发电机在今天看来,确实像一个简单的玩具,事实上,法拉第也没有把它付诸实用,然而它却是现在所有发电机的“老祖宗”。这个发明在近代科学史上的意义是深远的,人类从此打开了电能宝库的大门。

    不平凡的“勤杂工”

    法拉第晚年,国家准备授予他爵位,但他不肯接受。退休以后,他仍然念念不忘实验室,经常去那里干一些力所能及的杂事。

    有一个年轻人被皇家造币厂派到皇家学会实验室做实验,他看到一位穿着破旧衣服的老人正在扫地,就很随便地打招呼说:“看来你在这儿工作很多年了吧?”

    “是的,有年头了。”老人头也不抬地回答说。

    “你是看门的杂工?”

    “对,是杂工。”

    “干这活儿挺辛苦,我想他们给你的工钱一定不少吧?”年轻人猜测地问。

    “嘿嘿!”老人风趣地笑着说,“再多一点我也用得着啊!”

    “那么,老头儿,你叫什么名字?”年轻人很没有礼貌地问。

    “迈克尔·法拉第。”老人瞟了他一眼,语气非常平静地说。

    “啊!”久闻法拉第大名的年轻人惊叹地说,“原来您就是伟大的法拉第教授!”

    “不,”法拉第纠正说,“我是平凡的迈克尔·法拉第。”

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