本文介紹幾項有關(guān)電學的實驗。電學的發(fā)展史中有許多有趣的實驗實驗者通過這些實驗作出了許多重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。由于時代的變遷有些實驗的設(shè)計在現(xiàn)代人看來也許有些古怪也可能被看成是低水平的沒有復述的必要。但是如果您設(shè)身處地去想想在那對電一無所知的早期年代前人以極其貧乏的技術(shù)條件要探索各種電的現(xiàn)象和效應(yīng)該有多么地艱難是什么思想鼓舞他們進行這類從來沒有人做過的事情呢您可以仔細關(guān)注下面幾節(jié)里提到的那些電學家們。您會發(fā)現(xiàn)他們往往都有自己獨特的想法。正是這些想法引導他們?nèi)ゲ痪氲刈鲭妼W實驗?zāi)呐掠行嶒炦€要承擔風險。這些想法就叫做科學信念?？茖W家從事科學實驗不會沒有想法和動機。盲目地瞎試不是科學實驗也不會得到有用的結(jié)果?？茖W家從事科學研究往往都有一定的科學信念。他們的信念在現(xiàn)代人看來也許可笑甚至可能是錯誤的。但是對他們來說也許起有決定性的作用。正確的信念引導科學家走上正確的道路錯誤的信念則有可能促使他們多走彎路。一個好的實驗者在實驗面前碰了釘子后會很快地吸取教訓改變他的想法端正他的信念轉(zhuǎn)而采取正確的方法和途徑繼續(xù)進行實驗直到成功為止。我們學習前人的經(jīng)驗并不一定要對他們的具體實驗裝置和具體實驗步驟做詳細的研究但是他們的設(shè)計思想和科學信念往往對后人很有啟示他們的經(jīng)驗很值得我們?nèi)ノ?。請讀者們在閱讀下面幾個故事時留意格里克為什么要制造摩擦起電機他做起電實驗的目的是什么牛頓為什么支持豪克斯比做電學實驗奧斯特和法拉第在毫無理論根據(jù)的情況下進行探索他們?yōu)槭裁磿僬鄄粨系匾褜嶒炞龅降兹绻鷮λ麄兊南敕ㄓ辛苏媲械睦斫饽苍S會對他們倍感親切。

一. 電學的早期研究

----實驗研究要有理論指導

電這個無處不在、神出鬼沒的幽靈人類從認識它到駕馭它、利用它歷經(jīng)了好幾百年的時間。在古人眼里雷電是天神發(fā)怒的象征。琥珀摩擦后可以吸引紙屑和芥子梳頭解衣往往火花、噼啪聲隨之而來。這類現(xiàn)象可以說是人類認識電的開端這種認識只局限于一些日常現(xiàn)象。人們既沒有認識到電現(xiàn)象的普遍性更沒有觸及它的本性。

電學的發(fā)展只靠觀察是不夠的必須進行實驗通過實驗有目的地去探索才可能掌握電的規(guī)律。而實驗的進行關(guān)鍵在于能夠人為地產(chǎn)生電按照人的意志實現(xiàn)各種電現(xiàn)象從而達到研究和應(yīng)用的目的。所以基于摩擦起電的道理出現(xiàn)的摩擦起電機在電學史上占有重要地位。而能產(chǎn)生穩(wěn)定電流的伏打電池則進一步使人類能夠研究和利用電流的各種效應(yīng)。

摩擦起電機的發(fā)明

1660 年左右德國的一位市長格里克創(chuàng)制了一種機械裝置可以連續(xù)摩擦生電。他取一只兒童腦袋一般大的圓形玻璃燒瓶把碎硫磺放進瓶里一起加熱使硫磺融熔在加熱過程中不斷加硫磺最后瓶里充滿融化了的硫磺。再插入一根木柄等硫磺冷卻后打破玻璃得到一個漂亮對稱的硫磺球。他把硫磺球支在木架上如圖1.2讓磺球轉(zhuǎn)動同時把一只手按在球上摩擦于是硫磺球就會顯示地球吸引萬物的特性。圖1.3是格里克發(fā)表的另外一張圖。實驗者正舉著帶電的硫磺球球體移到哪里那里一切輕質(zhì)物體都受到吸引。紙片、羽毛紛紛朝它飛來水珠滾動枯葉搖晃。手指靠近閃光、爆破聲與雷電無異。

會想到做一個旋轉(zhuǎn)的硫磺球來做實驗?zāi)? 原來他并不是單純?yōu)榱搜菔倦姮F(xiàn)象而是為了證明地球吸引力乃是某種“星際的精氣”他的真空實驗也和這個總目標有關(guān)。

格里克的硫磺球?qū)嶒灤_實摸擬了地球的吸引作用甚至他還顯示了硫磺球的引力比地球吸引力大。然而他也發(fā)現(xiàn)兩者有不同之處。在硫磺球周圍也會有物體被排斥羽毛在硫磺球和地板之間會上下跳動。格里克開始領(lǐng)悟到重力并不能歸結(jié)于電力它們各有特點。接著格里克又做了許多電學實驗其中包括電的傳導和靜電感應(yīng)可惜沒有得到別人的重視。

格里克發(fā)明摩擦起電機的消息和他的真空泵一起在歐洲各國傳開了。人們竟相仿制并改進他的起電機。人們發(fā)現(xiàn)格里克的摩擦起電機其實不必把玻璃瓶打碎甚至不用硫磺直接用玻璃瓶就可以做實驗。很多人對電感興趣有的是為了研究電的性質(zhì)有的則是為了讓王宮貴族取樂用于表演魔術(shù)。但是在有意無意的探索活動中逐漸摸清了電的性質(zhì)。

牛頓對電學也很感興趣。1675 年他用玻璃球起電機研究了電的吸力和斥力、火花放電等現(xiàn)象。1703年12月5日英國皇家學會熱鬧非凡這一天他們有兩件新鮮事。一件是牛頓就任皇家學會主席一件是牛頓任命他的助手豪克斯比(F.Hauksbee)擔任實驗師牛頓希望在皇家學會提倡實驗恢復實驗空氣。豪克斯比當眾表演了精彩的真空放電實驗。他用摩擦起電機使真空發(fā)出輝光如圖1.4說明真空也會產(chǎn)生電的現(xiàn)象。

進一步豪克斯比還用棉線顯示了電力演示了“電風”。他做了一塊玻璃圓柱體長 7英寸直徑也為7英寸周圍是一根木箍上面等距離地連著許多條棉線(如圖1.5)當他旋轉(zhuǎn)并摩擦圓柱體時棉線沿半徑方向伸直趨向一個中心。豪克斯比沒有忘記他的恩師 他把這一事實聯(lián)系到牛頓的宇宙學說解釋說這些線條就像是受到了重力沿直線方向吸向中心。

電的傳導

1720年又有一位英國人叫格雷(S.Gray)他對電的傳導進行了研究發(fā)現(xiàn)摩擦過的玻璃所帶的電可以轉(zhuǎn)移到木塞上再經(jīng)細繩傳到 20 米以外的骨質(zhì)小球(如圖 1.6)。他還讓一個小孩做人體帶電試驗(如圖1.7)。他用絲繩把小孩吊在頂蓬下在小孩身下放許多輕質(zhì)物體例如羽毛之類。然后將摩擦過的玻璃管接觸小孩腿部結(jié)果小孩的手和頭部都能吸引羽毛。

格雷通過實驗發(fā)現(xiàn)了電的傳導性而且分清了導體與絕緣體。

下一步進展是法國的杜菲(du Fay)作出的。格雷的實驗引起了他很大的興趣他總結(jié)了前人的經(jīng)驗提出了許多問題例如

1。是不是所有物體都可以靠摩擦帶電電是不是物質(zhì)的普遍屬性?

2。是不是所有物體當接觸或靠近帶電體時都可以獲得電?

3。哪些物體會使電的傳遞停滯哪些利于電的傳遞? 哪些物體最容易被帶電體吸引?

4。斥力和吸力之間有什么關(guān)系? 它們之間是否有聯(lián)系抑或是完全獨立的?

5。在虛空處在壓縮空氣中在高溫下電的強度是增還是減?

6。電和產(chǎn)生光的能力之間有什么關(guān)系? 這是大多數(shù)帶電體的共同特性。這一關(guān)系可以得出什么結(jié)論?

為了解答這些問題杜菲進行了一系列實驗。他首先發(fā)現(xiàn)能夠帶電的不僅限于琥珀之類的物品任何東西包括金屬都可以帶電于是糾正了前人將物體分為“電的”和“非電的” 兩類的作法。為了證實一切物體都可以帶電杜菲以自己的身軀做實驗。他讓助手用繩子把自己懸吊在天花板上然后帶上電當另一個人接近他時從他身上發(fā)出電火花產(chǎn)生噼噼啪啪的聲響。

萊頓瓶的發(fā)明

杜菲最大的貢獻是分清有兩種電。他把兩小塊軟木包上金箔用絲線懸掛在天花板下取一玻璃棒用絲綢摩擦后分別接觸這兩塊軟木結(jié)果軟木互相排斥。他又做了一個實驗 取一松香棒用羊皮摩擦后接觸一軟木而用絲綢摩擦后的玻璃棒接觸另一軟木結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者互相吸引。他再用其他許多材料繼續(xù)實驗發(fā)現(xiàn)有的相互吸引有的互相排斥。于是杜菲認定電有兩種。他把玻璃產(chǎn)生的電稱為“玻璃電”松香產(chǎn)生的電叫“松香電”。

圖1.8 萊頓瓶

萊頓瓶(圖 1.8)的發(fā)明使電學研究又上了一臺階。1745 年 德國的克萊斯特 (E.G.Kleist)做了一個實驗。他用鐵釘把電通到窄口藥瓶中瓶中盛水瓶子與其他物體絕緣。原來他是想把電存在水中。讀者也許會覺得他的想法太幼稚請不要譏笑他原始的觀念往往導致科學的重大發(fā)明克萊斯特試驗果然有一定效果他再用鐵釘將瓶內(nèi)的水和外界接通時出現(xiàn)了強烈放電現(xiàn)象。

克萊斯特沒有放過這一現(xiàn)象而是進一步尋找儲存電的規(guī)律。他發(fā)現(xiàn)瓶口及外表面必須干燥(注不然電就會沿表面爬走了)如果瓶里裝的是水銀或酒精效果更好。

克萊斯特把這一發(fā)現(xiàn)寫信告訴了好幾位友人他們都回信說重復做了實驗卻沒有能夠得到同樣的結(jié)果原來克萊斯特在信中少說了一句話實驗者在用釘子通電時要手持瓶子的外表面人站在地上(注也就是說 瓶子的外表面必須接地!)。由于這個原因克萊斯特的發(fā)明沒有引起注意。

與時同時 另外有一位實驗家在荷蘭也做了類似的實驗如圖1.9。他是萊頓大學物理學教授穆欣布羅克(P.Musschenbruck)。他把金屬槍管懸掛在空中與起電機聯(lián)接另從槍管引出一根銅線浸入盛水的玻璃瓶中助手一只手拿著玻璃瓶穆欣布羅克在一旁搖摩擦起電機。正在這時助手無意識地將另一只手碰到槍管頓時感到電擊。于是穆欣布羅克自己來拿瓶子當他一只手碰到槍管時果然也遭到強烈電擊。

圖1.9 穆欣布羅克的槍管實驗

穆欣布羅克不久在給友人的信中寫道“蒙上帝憐憫我才免于一死。我就是為法蘭西王國也不愿再冒這個險了.” 信中他詳細描述了實驗的條件所用器材和人的姿勢。寫得如此真切令有冒險精神的讀者無不躍躍欲試。后來這封信公開發(fā)表。許多人重復了萊頓的實驗萊頓瓶也由此得名。

在用萊頓瓶做試驗的人當中有一位法國電學實驗家叫諾勒特(J.A.Nollet)最為出色。他改進了萊頓瓶。大大提高了電的容量。1748 年他在巴黎讓二百多名僧人(修道士)在巴黎修道院前手拉手排成圓圈讓領(lǐng)頭的和排尾的手握萊頓瓶的引線當萊頓瓶放電時幾百僧人同時跳起來使在場的貴族們無不目瞪口呆。諾勒特組織的表演使電的聲威達到了高潮。 萊頓瓶的神奇不脛而走消息傳到了美利堅合眾國又引出一番轟烈情景這時有一位有名的人物做了許多實驗。他就是美國的著名科學家富蘭克林。

二. 伏打和奧斯特的發(fā)現(xiàn)

----科學信念的重要性

有人說十九世紀是電學的世紀。這句話是不是過分了呢只要對電學發(fā)展史有所了解就會覺得這句話一點也不過分。這個世紀以發(fā)現(xiàn)伏打電堆和電流的磁效應(yīng)開始繼而發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)和電解定律以及其它一些電磁規(guī)律終于在世紀的后半葉建立了完整的電磁場理論而在19世紀行將結(jié)束之際又傳出發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)、霍耳效應(yīng)、塞曼效應(yīng)的消息最后以電子的發(fā)現(xiàn)迎接新世紀的到來。由于這些實驗事實的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立電動機、發(fā)電機、電報電話、以及后來的無線電、電視相繼問世?；仡欉@一切其發(fā)端就在于1800年伏打電堆的發(fā)現(xiàn)和1820年電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。下面我們就來講講這些發(fā)現(xiàn)是怎樣作出的。

伽伐尼的青蛙實驗

首先要介紹18 世紀末電學是怎樣從靜電領(lǐng)域發(fā)展到電流領(lǐng)域的。這是一大飛躍 發(fā)端于動物電的研究意大利學者伽伐尼和伏打在這方面起了先鋒作用。

伽伐尼是一位解剖學教授1780 年 9 月的一天他在解剖青蛙時偶然發(fā)現(xiàn)電效應(yīng)他和學生一起作解剖實驗一個學生用手術(shù)刀輕輕觸動了青蛙的小腿神經(jīng)這只青蛙立即抽搐了起來。當時另一學生正在附近練習使用摩擦起電機。他注意到青蛙抽搐時正好是起電機發(fā)出火花的那一瞬間。伽伐尼沒有放過這一機會立即研究起來。他早就知道動物有某些特殊行為與電有關(guān)。從古代人們就發(fā)現(xiàn)有一種魚會放電叫魚鰻。萊頓瓶發(fā)明后人們開始考慮魚鰻的電效應(yīng)可能與萊頓瓶類似。1772 年英國的華爾士發(fā)現(xiàn)魚鰻的放電是在背脊和胸腹的兩點之間。解剖的結(jié)果是在魚體內(nèi)有一長圓柱體電就是從那里發(fā)出來的。伽伐尼敏銳地感到這是研究動物電的一個極好范例。他想會不會在青蛙體內(nèi)也有類似組織?這個現(xiàn)象和手術(shù)刀有什么關(guān)系?為什么正好在這時起電機也放電呢?

伽伐尼為了掌握青蛙抽搐的規(guī)律安排了一系列實驗如圖2.2。起先他只用刀尖觸青蛙神經(jīng)然后只讓起電機打電火花都不能使蛙腿抽搐。

接著伽伐尼把青蛙用銅鉤子掛在花園的鐵欄桿上結(jié)果發(fā)現(xiàn)在閃電來臨時青蛙也會抽搐。

圖2.1 伽伐尼正在向友人演示青蛙實驗 圖2.2伽伐尼的青蛙實驗

伽伐尼又把青蛙放在鐵桌上用銅鉤子碰青蛙腿只要銅鉤子另一端觸及桌面即使沒有任何其它帶電體在場蛙腿也會抽搐。顯然他已觸及現(xiàn)象的本質(zhì)可是由于動物電的觀念先入為主他堅持用動物電說明所有這些現(xiàn)象使他無力作出正確的解釋。

伽伐尼在1791年發(fā)表了題為《肌肉運動中的電力》文中寫道“我們想到用不導電或不大導電的其它物體如由玻璃、橡皮、樹脂、石或木等物質(zhì)制成的但都是干的東西來試。結(jié)果都不發(fā)生這樣的現(xiàn)象既看不到肌肉的緊縮也看不到肌肉的運動。這當然激起了我們的驚奇并使我們以為動物本身就有電。我們認為這種看法是正確的因為我們的假定是在緊縮現(xiàn)象發(fā)生時有一種很細的神經(jīng)流體從神經(jīng)流到肌肉中去就象萊頓瓶中的電流一樣?！?/p>

伏打發(fā)明化學電池

伽伐尼的著作發(fā)表以后歐洲各國對動物電形成了研究熱潮很多人投入到這項實驗之中。在這些研究者中間有一位意大利的自然哲學教授伏打他細心重復了伽伐尼的實驗發(fā)現(xiàn)伽伐尼的神經(jīng)電流說有問題。他拿來一只活青蛙用兩種不同金屬構(gòu)成的弧叉跨接在青蛙身上一端觸青蛙的腿一端觸青蛙的脊背青蛙就可以抽搐用萊頓瓶經(jīng)青蛙的身體放電青蛙也發(fā)生抽搐說明兩種不同金屬構(gòu)成的弧叉和萊頓瓶的作用是一樣的。換句話說這些現(xiàn)象是外部電流作用的結(jié)果。

于是就在伏打的外部電(金屬接觸說)和伽伐尼的內(nèi)部電(神經(jīng)電流說)之間展開了長期的爭論。

為了闡明自己的觀點伏打繼續(xù)進行了大量實驗。他比較了各種金屬按金屬相互間的接觸電動勢把各種金屬排列成表其中有一部分是鋅—鉛—錫—鐵—銅—銀—金—石墨。只要將表中任意兩種金屬接觸排在前面的金屬必帶正電排在后面的必帶負電。這樣伏打一舉就全面地解釋了伽伐尼和其他人做過的各種動物電實驗。

1800 年伏打進一步把鋅片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中重復地疊成一堆形成了很強的電源這就是著名的伏打電堆。把鋅片和銅片插入鹽水或稀酸杯中也可以形成電源叫做伏打電池。伏打為了遵重伽伐尼的先驅(qū)性工作在自己的著作中總是稱之為伽伐尼電池。所以以他們兩人名字命名的電池實際上是一回事。這就是化學電池的由來。

伏打電堆(電池)的發(fā)明提供了產(chǎn)生恒定電流的電源使人們有可能從各方面研究電流的各種效應(yīng)。從此電學進入了一個飛速發(fā)展的時期——研究電流和電磁效應(yīng)的新時期。

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)

電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在電學的發(fā)展史中占有重要地位。在這項發(fā)現(xiàn)以前, 電和磁在人們看來是截然無關(guān)的兩件事。電和磁究竟有沒有聯(lián)系? 這是先人經(jīng)常思索的問題?！邦D牟綴芥、磁石引針” 說明電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似性, 庫侖先后建立電力和磁力的平方反比定律, 說明它們有類似的規(guī)律。但是相似性不等于本質(zhì)上有聯(lián)系。17世紀初, 吉爾伯特就作過斷言, 認為兩者沒有關(guān)系, 庫侖也持同樣觀點。然而, 實際事例不斷吸引人們的注意。例如 1731 年有一名英國商人述說, 雷閃過后他一箱新的刀叉竟帶上了磁性。1751 年富蘭克林發(fā)現(xiàn)在萊頓瓶放電后, 縫紉針磁化了。

電真的會產(chǎn)生磁嗎? 這個疑問促使1774年德國有一家研究所懸獎?wù)鹘? 題目是“電力和磁力是否存在著實際的和物理的相似性?” 許多人紛紛做實驗進行研究, 但是,在伏打發(fā)明電堆以前, 這類實驗是很難有希望成功的, 因為沒有產(chǎn)生穩(wěn)恒電流的條件。不過, 即使有了伏打電堆, 也不一定能立即找到電和磁的聯(lián)系。

例如1805年有兩個德國人, 他們把伏打電堆懸掛起來, 企圖觀察電堆在地磁的作用下會不會改變?nèi)∠颉＿@類實驗當然得不到結(jié)果。

這時丹麥有一位物理學家, 名叫奧斯特(1777—1851), 他在堅定的信念支持下, 反復探索, 終于揭示了自然界的這一奧秘。

奧斯特是丹麥哥本哈根大學的物理學教授。他信奉康德的哲學思想, 認為自然界各種基本力是可以相互轉(zhuǎn)化的。早在1812年, 奧斯特就發(fā)表過一篇論文, 論證化學力和電力的等價性,文中寫道“我們應(yīng)該檢驗的是究竟電是否以其最隱蔽的方式對磁體有類似的作用”。在奧斯特的頭腦里, 經(jīng)常盤據(jù)著這個疑問。他深信電和磁有某種聯(lián)系, 只是不知道應(yīng)該怎樣來實現(xiàn)它。當時, 電流的研究早已揭示導體通過電流時會發(fā)熱, 甚至會發(fā)光。他想, 既然電流通過細導體會發(fā)熱, 通過更細的導體甚至會發(fā)光, 進一步減小導體的直徑, 為什么不能指望會激發(fā)出磁來呢? 于是他拿一根細白金絲, 讓它接到電源上, 在它前面放一根磁針,他和別人一樣, 企圖用白金絲的尖端吸引磁針。然而, 盡管白金絲灼熱了, 燒紅了, 發(fā)光了, 磁針也紋絲不動。奧斯特沒有灰心, 邊思考, 邊試驗。他想, 觀察發(fā)熱和發(fā)光的現(xiàn)象, 熱和光都是向四周擴展的, 會不會磁的作用也是向四周擴展?

圖2.6 奧斯特表演電流磁效應(yīng)

1820 年 4 月的一個晚上, 奧斯特正在向聽眾演講有關(guān)電和磁的問題。他準備了實物表演, 一邊講, 一邊做。在他做過那些磁針實驗后, 他說“今天我們不妨把導線和磁針平行放置來試試看.” 他把磁針移向?qū)Ь€下方, 正當助手接通電池的一瞬間, 他看到磁針有一輕微晃動。這正是奧斯特盼望多年的反應(yīng)。

演講會后奧斯特接連幾個月研究這一新現(xiàn)象。開始他還是用細鉑絲做實驗,后來他終于認識到, 磁效應(yīng)強的不是細金屬絲, 而是直徑大的金屬絲, 更不必用貴重的白金, 任何金屬都可以。后來, 他有了更強大的伏打電池, 終于查明電流的磁效應(yīng)是沿著圍繞導線的螺旋方向。

1820年7月21日, 奧斯特用拉丁文以四頁的篇幅簡潔地報告了他六十幾次實驗的結(jié)果。

這一篇歷史性文獻立即轟動了整個歐洲。

奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng), 是電學史上的新篇章, 由于他的發(fā)現(xiàn),引導出電學一系列新發(fā)現(xiàn), 電學進入了電磁學階段, 十九世紀二三十年代成了電磁學大發(fā)展的輝煌時期。

三. 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

----科學信念指引方向

自從奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后人們自然會想到既然電能生磁為什么磁不能生電呢例如一根磁棒能不能使旁邊的導線感生出電流來呢這件事成了很多科學家共同關(guān)心的問題。許多人作過實驗企圖找到滿意的答案法拉第也是其中的一位。

1821年英國《哲學學報》編輯約法拉第寫一篇關(guān)于電磁問題的述評,這件事導致法拉第開始了電磁學的研究。

法拉第當時正在英國皇家研究所進行化學研究。他原來就對電學很有興趣做過各種電學實驗。這時他正在擔任皇家研究所實驗室主任的工作。

法拉第在整理電磁學文獻時, 為了判斷各種學說的正偽, 親自做了許多實驗。在實驗過程中他發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象, 如果在載流導線附近只有磁鐵的一個極, 磁鐵就會圍繞導線旋轉(zhuǎn)反之, 載流導線也會圍繞單獨的磁極旋轉(zhuǎn)。這就是著名的電磁旋轉(zhuǎn)實驗, 如圖 3.1.這一裝置實際上就是最早的電動機。

圖3.1 法拉第的電磁旋轉(zhuǎn)實驗

關(guān)于電與磁的關(guān)系眾說紛紜莫衷一是。安培提出分子電流學說。他認為一切磁效應(yīng)都是源于電流與電流的相互作用。他做了許多很有說服力的實驗證明自己的理論是對的。但是也有人表示不同的意見。例如塞貝克就不同意把磁歸結(jié)為電他認為磁比電更為根本。

1821 年塞貝克還通過實驗證明有一種“磁霧”存在。他在一個用紙做成的平板上撒上一層細細的鐵屑讓一根導線垂直穿過這塊紙板當接通電源后鐵屑就以紙板上的導線為中心形成許許多多的同心圓并且離中心越近這些同心圓就越密集。他認為這個實驗說明了通電導線周圍存在著一種“磁霧”所以鐵屑才形成一個一個地同心圓。

1825 年塞貝克又做了一個實驗他用絲線吊起一塊磁鐵把它當作單擺然后在它旁邊放上一塊金屬。他發(fā)現(xiàn)當這塊磁鐵擺動起來時很快就會衰減下去他認為這是受到“磁霧”的阻礙作用。如果拿走金屬塊磁鐵的擺動會持續(xù)很長時間就像沒有受到任何阻力一樣。塞貝克還用其它的方法證明“磁霧”的阻尼作用。他取一塊銅片做成單擺讓它在磁鐵的兩極上方擺動發(fā)現(xiàn)它比沒有放磁鐵時衰減得快得多。這實際是在金屬和銅片中產(chǎn)生了感應(yīng)電流感應(yīng)電流反過來又受磁力的阻礙作用。塞貝克當然沒有明白這個道理而是認為這正是他的“磁霧”理論的證據(jù)。

另外還有一位法國科學家阿拉果也做了同樣的發(fā)現(xiàn)。他在1822 年到格林威治附近的山上用磁針測量地磁時偶然發(fā)現(xiàn)放在磁針下面的金屬塊對磁針的振蕩會產(chǎn)生阻礙作用。1824 年阿拉果也把磁針當作單擺讓它在銅盤上方擺動發(fā)現(xiàn)磁針的擺動會很快衰減如果讓磁針靜止不動然后轉(zhuǎn)動下面的銅盤就會發(fā)現(xiàn)磁針也跟著轉(zhuǎn)動。這些實驗實際上都是電磁感應(yīng)的具體例證因為正是導體在運動中切割了磁力線從而在導體內(nèi)部產(chǎn)生了感應(yīng)電流。但在當時他們都不能用感應(yīng)電流的觀點對自己的實驗結(jié)果作出解釋。這些實驗經(jīng)過法拉第一一重復作了研究盡管當時法拉第也無法作出明確的說明但是所有這些實驗事實都成了他的佐證堅定了他磁生電的信念并最終導致他在 1831 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

法拉第和奧斯特一樣, 篤信自然力的統(tǒng)一, 很早就開始尋找“磁生電” 的跡象。從 1824年到1828年, 法拉第多次進行電磁學實驗。他仔細分析了電流的磁效應(yīng), 認為電流與磁的相互作用除了電流對磁、 磁對磁、 電流對電流, 還應(yīng)有磁對電流的作用。他想, 既然電荷可以感應(yīng)周圍的導體使之帶電, 磁鐵可以感應(yīng)鐵質(zhì)物體使之磁化, 為什么電流不可以在周圍導體中感應(yīng)出電流來呢?于是他做了一系列實驗, 想尋找導體中的感應(yīng)電流。例如，1824 年 11 月法拉第第一次試圖觀察磁生電的現(xiàn)象這次實驗沒有成功。1825 年 7 月 法拉第又做了一次實驗來尋找磁生電現(xiàn)象再次得到否定的結(jié)果。同年11 月法拉第做了第三次實驗。這次差點兒獲得成功。他把一根 4 英尺長的導線接在電池的兩極上把另一根導線接在電流計上兩根導線平行放置中間只隔兩張薄紙。當前一根導線中通入電流時他沒有觀察到另一根導線上的電流計指針有任何動靜。然后他又把前一根導線彎曲成螺線管把另一根導線放入線圈中。當前一根導線接通電源時仍未能發(fā)現(xiàn)第二根導線上的電流計指針的偏轉(zhuǎn)。

如果電流計足夠靈敏如果電源足夠強在接通電源或者切斷電源的瞬間法拉第應(yīng)該能夠看到電流計發(fā)生偏轉(zhuǎn)?？墒撬紱]有觀察到。盡管如此法拉第對磁生電的信念并沒有動搖他逐步領(lǐng)悟到必需加大電源的強度并且注意瞬間的變化。

法拉第在實驗日記里多次記錄了失敗的嘗試,也多次表達了自己的信念。就在1831年8月29日這一天, 法拉第終于取得了突破性的進展。

這次他是用一個軟鐵圓環(huán)(如圖3.2中的插圖), 環(huán)上繞兩個互相絕緣的線圈 A和B。線圈A和電池連接,線圈B用一導線連通, 導線下面平行放置一只小磁針。法拉第注意到, 當接通電池的瞬間,小磁針突然跳動一下切斷電池時, 也有同樣現(xiàn)象如果維持接通狀態(tài), 則毫無反應(yīng)。法拉第猛然省悟, 原來這種感應(yīng)是和瞬間過程聯(lián)系在一起的。

法拉第在日記中寫道部分原文見圖3.2

“1關(guān)于磁生電的實驗等等等等。

“2用軟鐵做一個圓鐵環(huán)它的厚度圓鐵條直徑是八分之七英寸它的外直徑圓環(huán)直徑是6 英寸。在圓鐵環(huán)的一個半邊繞了許多匝銅線每匝之間用麻線和白布隔開其中共繞有 3 個線圈每個線圈都用 24 英尺長左右的銅線繞成。它們可以聯(lián)在一起使用也可以分別使用。這三個線圈彼此之間是絕緣的我們把鐵環(huán)的這半邊稱為A。中間隔開一段距離再在圓鐵環(huán)的另一半邊用兩根銅線繞成兩個線圈銅線的總長度大約是 60 英尺纏繞方向與前面的線圈相同我們把這半邊稱為 B。

“3把 10 個電池聯(lián)在一起每個電池電極板的面積是 4 平方英寸。把 B 邊的線圈連成一個線圈并將它的兩個端點用一根銅線聯(lián)結(jié)起來銅線經(jīng)過一段距離離圓鐵環(huán)3 英尺 剛好越過一個磁針的上面一點。然后把 A 邊的一個線圈的兩端同電池接通立即就對磁針產(chǎn)生了可以觀察到的影響。磁針擺動著最后又回復到原來的位置上。當切斷A 邊線圈與電池的連線時磁針又一次受到了擾動。

“4把 A 邊三個線圈聯(lián)成一個線圈使電池的電流流過所有的線圈對磁針的影響比以前強得多。”

在這天的實驗日記里法拉第還畫了一個插圖正是他所說的圓鐵環(huán)圓鐵環(huán)的 A 邊共有 6 個端點表示繞了 3 個線圈B 邊共有4 個端點表示繞有 2 個線圈。在 A 邊線圈中的電流產(chǎn)生或消失時B 邊線圈中就感應(yīng)出短暫的相反方向的電流使磁針向兩個不同方向擺動。

這是法拉第第一個成功的電磁感應(yīng)實驗。

法拉第想, 這個實驗成功的關(guān)鍵在哪里呢? 如果沒有鐵質(zhì), 還會不會有這類現(xiàn)象? 于是他用木料做A、B線圈的芯子,線圈A改接強大的電池組, 結(jié)果依然有感應(yīng), 說明電磁感應(yīng)只和電流的變化有關(guān)。如果電流不變, 即使電流大到使導線灼熱, 也不會產(chǎn)生感應(yīng)。

接著, 法拉第又做了一個實驗。他取來一根鐵棒, 在鐵棒上繞以線圈, 再和電流計相接, 鐵棒兩端各放一根條形磁鐵, 如圖3.4。當鐵棒拉進拉出時, 電流計的指針會不斷擺動。 法拉第繼續(xù)做實驗, 他于1831年10月17日以條形磁鐵插入線圈, 如圖3.5,發(fā)現(xiàn)在條形磁鐵插入和拔出的瞬間,線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

他把鐵棒運動和磁鐵運動引起的感應(yīng)稱為“磁電感應(yīng)”, 而把先前發(fā)現(xiàn)的兩個線圈間的感應(yīng)稱為“伏打電感應(yīng)”, 因為兩個線圈中有一個是接到伏打電池上的。

他不滿足于瞬時效應(yīng), 總想能直接實現(xiàn)磁生電。于是繼續(xù)做實驗, 終于在 1831 年 10 月28日用旋轉(zhuǎn)銅盤做成功了。他把銅盤置于馬蹄形磁極之間, 如圖3.6和圖3.7。從銅盤的軸心和邊沿引兩根導線接于電流計旋轉(zhuǎn)銅盤, 就從這兩根導線引出了持續(xù)的電流。

這樣一來法拉第創(chuàng)造了第一臺最原始的直流發(fā)電機。他從電磁旋轉(zhuǎn)實驗作成了最初的電動機從電磁感應(yīng)實驗作成了最初的發(fā)電機。電動機加發(fā)電機可以說電的時代就是從這里開始的。

同年11月24日, 法拉第對各種試驗做了總結(jié), 向英國皇家學會報告說他可以把產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況分為五類 ① 變化中的電流 ② 變化中的磁場 ③運動的穩(wěn)恒電流 ④ 運動中的磁鐵 ⑤ 運動中的導線。

就在法拉第宣布發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之前不久也有一些科學家在作電產(chǎn)生磁的研究。例如美國的亨利(J.Henry)在研究電磁鐵的過程中也發(fā)現(xiàn)有電磁感應(yīng)現(xiàn)象。他不大放心, 遲疑不決, 沒有公開發(fā)表自己的結(jié)果。還有一位瑞士物理學家, 叫科拉頓。他已經(jīng)接近發(fā)現(xiàn)的邊緣, 但實驗的安排有問題。他為了避免磁鐵對電流計的影響, 特意把電流計放在隔壁房間里, 他一個人做實驗, 只能來回奔跑、他先在一個房間里把磁鐵插入線圈, 再跑到另一房間里去觀察電流計的偏轉(zhuǎn)。每次得到的都是零結(jié)果, 失去了觀察到瞬時變化的良機。

四. 法拉第電解定律的發(fā)現(xiàn)

----追求自然界的統(tǒng)一性

電解是電化學中的重要現(xiàn)象是電引起的一種化學反應(yīng)。人們利用電解提煉鋁之類的金屬對物品進行電鍍。提起電鍍每個人都很熟悉無論你走進哪個家庭都會用到漂亮的電鍍產(chǎn)品。電鍍的廚房用具、自行車、燈飾以及很多日用物品莫不都要經(jīng)過電鍍這些電鍍產(chǎn)品習習生輝發(fā)出耀眼的光芒不僅美觀而且防銹。所以可以說現(xiàn)代社會離不開電解和電鍍。更重要的是早期對電解的研究使著名電學家和化學家法拉第得到了兩個電解定律并由此進一步確立了物質(zhì)電構(gòu)造的基本概念加深了對電的本質(zhì)的了解。

法拉第為什么會對電解現(xiàn)象感興趣呢讓我們從頭說起。電解的研究在伏打發(fā)明了電池以后就開始了英國工程師尼可爾森和解剖學家卡萊爾便利用這一電源對液體進行研究他們首先選用了水。他們在一個玻璃杯中盛上水插入兩個鉑片作電極。當他們用導線將伏打電池的兩個極分別與玻璃杯中的兩個極相連時發(fā)現(xiàn)在導線和杯中電極接觸部分產(chǎn)生了許多氣泡可見水在電流的作用下發(fā)生了化學變化。經(jīng)過測定兩極所產(chǎn)生的氣體一種是氧氣另一種是氫氣可以肯定電流使水發(fā)生了分解。

在此以后歐洲立即掀起了對各種金屬化合物水溶液和固體物質(zhì)進行電解實驗的浪潮。

雖然電在溶液中流動使溶液發(fā)生了化學變化是無可置疑的但變化的原理則不清楚。

1805 年法國化學家格洛塔斯曾提出過他的電解理論認為在電解水時陽極和陰極好比磁鐵它們分別吸引水的粒子而把水分解。現(xiàn)在看來這個理論當然是錯誤的。

19 世紀 20 年代初正當法拉第在戴維的實驗室里從事化學研究時奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)證明了電能生磁。在這件事的激勵下法拉第轉(zhuǎn)而研究了磁的電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)證明了磁也能生電?？磥黼娕c磁的統(tǒng)一是無可懷疑的了。不過這里所說的電是指伏打電和磁感應(yīng)電。在法拉第的那個時代人們根據(jù)電的產(chǎn)生方式把電分成五種伏打電、摩擦電、熱電、動物電、磁感應(yīng)電。伏打電是伏打電池供應(yīng)的電流摩擦電是指由摩擦產(chǎn)生的靜電它往往存儲在萊頓瓶中熱電是指溫差電源供應(yīng)的電流動物電指電鰻之類的動物放出的電磁感應(yīng)電就是法拉第電磁感應(yīng)實驗中得到的感生電流。那么這些不同種類的電是不是統(tǒng)一的呢這正是法拉第長期思考的一個問題。

1832 年法拉第開始集中精力來思考“不同來源的電的同一性”問題。在此之前富蘭克林 1752 年的風箏實驗給他留下了深刻的印象這個實驗證明了雷電與萊頓瓶放電的統(tǒng)一它們都屬于摩擦電或靜電?，F(xiàn)在法拉第把電歸納為靜電和流電兩類把電效應(yīng)歸納為生理、發(fā)熱、產(chǎn)生磁力、化學分解、電火花等等。他比較了這五種電在電效應(yīng)上的區(qū)別指出這些電在很多效應(yīng)上都是相同的如它們都會引起肌肉抽搐放電時都會發(fā)光、生熱都能產(chǎn)生化學反應(yīng)等。雖然它們在某些電效應(yīng)上不同但只要電源足夠強大相應(yīng)的效應(yīng)也會顯現(xiàn)出來。于是法拉第總結(jié)說“電的所有這些形式與得到它們的來源無關(guān)在其本質(zhì)上是完全相同的”它們“僅僅在程度上有所不同而只在這種意義上才用得上不同的說法 即在數(shù)量和強度變化條件的意義上有所不同”。

所謂靜電指的就是摩擦電之類的電所謂流電指的是伏打電之類的電。法拉第對電的統(tǒng)一性的研究引導他進一步探討流電與靜電之間的統(tǒng)一性問題。正是由于這項研究導致了電解定律的發(fā)現(xiàn)。實際上法拉第早在他學徒生涯的最后一年時已注意到電解問題了。那時他連起碼的伏打電池都沒有于是從皇家學院買到了一點鋅片再把它切成幾個銀幣大小的圓片、然后把它們覆蓋在幾個銅幣上中間夾上鹽水浸泡過的紙板做成了一個最簡單的伏打電池。就是利用這個電池他電解硫酸鎂獲得了成功。那時戴維早已是研究電解問題的權(quán)威了。他不僅用電解方法發(fā)現(xiàn)了鉀、鈉等一系列的化學元素而且還提出了電化分解的電性二元論。但他對電解問題的認識尚未達到定量的水平。因此法拉第決心用自己的實驗給電解問題作出精確的分析。

法拉第為了研究電解原理又進行了一系列科學實驗。他先用硫酸鈉溶液把石蕊試紙和姜黃試紙潤濕然后將濕的石蕊試紙與一個鉑片相連濕的姜黃試紙與另一鉑片相連前一個鉑片與伏打電池的正極連后一個鉑片與負極相連。他發(fā)現(xiàn)石蕊試紙顯紅色說明呈酸性姜黃試紙變成褐色說明呈堿性。

接著法拉第做了另一個實驗。他將兩塊鉑片電極插在盛硫酸鋅溶液的玻璃容器中 然后將兩個鉑電極與伏打電池的正、負極相連結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰極的鉑片上覆上了一層金屬鋅陽極周圍的溶液顯酸性。

在以上兩個實驗的基礎(chǔ)上法拉第又用金屬鉑和銅作電極對氯化銅水溶液進行電解為了更容易導電他在氯化銅水溶液中添加了少量硫酸銅水溶液。當他把鉑電極與伏打電池的正極相連銅電極與負極相連后發(fā)現(xiàn)在鉑電極上有氯氣放出而在銅電極上又有銅附著在上面。

1832年法拉第用實驗比較了摩擦電與伏打電的電解效應(yīng)之后寫道“當電化分解發(fā)生時有許多理由使我們相信分解出來的物質(zhì)的量并不和電流強度成正比而是和通過的電量成比例”。這就是法拉第電解第一定律的最早表述。在此基礎(chǔ)上他進一步研究了摩擦電與伏打電在電化分解上的共同量度和量的統(tǒng)一性通過實驗證明了起電機轉(zhuǎn)動一定轉(zhuǎn)數(shù)產(chǎn)生的放電所引起的化學作用與電池在一定時間內(nèi)供應(yīng)的電流所引起的化學作用是等價的。這說明電化分解中析出的物質(zhì)與通過的絕對電量成正比不管這種電是摩擦電提供的也好還是伏打電提供的也好它們之間有一種量的同一性。

1833年法拉第指出“不管電源、電流強度、電極的尺寸、通過電流的導體的性質(zhì)和其他一些條件發(fā)生多大變化具有恒定電量的電流其化學分解作用是恒定不變的”。他以水的分解為例進一步指出“不管實驗條件和情況有多大變化當水受到電流作用時被電解的水的數(shù)量都嚴格正比于通過它的電量?！娏鞯幕瘜W力正比于其傳輸電量的絕對數(shù)量?！庇谑撬偷玫搅穗娊獾谝欢?。

根據(jù)法拉第電解第一定律既然由電解作用所析出的生成物質(zhì)量正比于通過電解質(zhì)的電量那么只要準確地測定出這種生成物的數(shù)量就能測定出通過的電量。為此法拉第設(shè)計了許多實驗用以測定電解水所生成的氫氣和氧氣的質(zhì)量并以此為電量標準測定了電解其它化合物時所析出的物質(zhì)質(zhì)量發(fā)現(xiàn)各種元素在電解時始終以確定的比例被析出。法拉第把這種比例稱為電化當量如氫、氧、氯、碘、鉛、錫等元素的電化當量分別為1、8、36、125、104、58 等。這種電化當量與化學當量異常吻合。

于是法拉第便得出如下結(jié)論“電化當量與通常的化學當量彼此一致系同一個概念?！?這就是法拉第電解第二定律它表明一定的電量通過電解質(zhì)所析出的物質(zhì)質(zhì)量與這種物質(zhì)元素的化學當量成正比。

從法拉第電解定律可以導出單位電荷的概念。對此亥姆霍茲 1881 年作了很好的說明。他說“法拉第定律的最令人驚異的結(jié)論也許是如果我們接受元素物質(zhì)由原子組成的假說就不可避免地要得出結(jié)論不論正電和負電都可以分成一定的單元其行為如同電的原子?！?亥姆霍茲說這番話時電子還沒有發(fā)現(xiàn)以后我們知道這個電量的基本單位就是一個電子或一個質(zhì)子所帶的電量。法拉第的電解定律有如此深邃的科學價值這是法拉第本人都沒有預(yù)料到的。

法拉第的電解定律也可以用如下的實驗結(jié)果表示只要通入硫酸銅和稀鹽酸的電解槽中96495 庫侖的電量就能在陽極上析出氯 35.46 克在陰極上析出銅 31.77 克。后來才知道 96495 庫侖正是 1 摩爾電子的總電量為了紀念法拉第的功績科學界就把這個量稱為法拉第常量在計算中用F表示。法拉第常量等于電子電荷e與阿佛加德羅常量NA的乘積是物理學和化學中的重要基本常數(shù)之一?，F(xiàn)在精密的測量結(jié)果是F=96485.3415 庫侖/摩爾。

法拉第通過對電解過程的研究還創(chuàng)造了許多科學術(shù)語。例如他把電流進入的那個電極叫做陰極;電流出去的那個電極叫做陽極他把電流通過溶液在溶液中分解成的粒子叫做離子把走向陰極的離子稱為陽離子把走向陽極的離子稱為陰離子等等。直至現(xiàn)在我們所用的電化學的基本術(shù)語大多都是法拉第創(chuàng)造的。