电气时代来临(上)

19世纪，科学家发现了电和磁的联系，开辟了驾驭能量、传输信息的新途径。人类刚刚步入工业社会，又匆匆奔向一个新的时代——电气时代。

当发明家们和工程师们在拓展蒸汽动力的道路上轰轰烈烈前进的时候，一些鲜为人知的学者在实验室里默默地研究着另一类现象——电。这种研究没有任何功利目的，因为没有人知道探索它会有什么结果，更不能预测电对人类有什么实用价值。这些学者研究电纯粹是出于好奇心，希望了解自然。

早在2500年前，古希腊人已经注意到摩擦琥珀会产生电，能够吸附微小的物体。干燥的物体相互摩擦很容易带电，电会在不经意中产生，也很容易消失；偶尔会在空气中形成噼啪作响的小火花，但稍纵即逝。直到16世纪，人们关于电的知识仅此而已。

科学家开始研究电，第一件事就是想办法获得足够多可随意产生的电。曾经表演过著名的马德堡半球实验的德国科学家盖里克，于1660年发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。他设计的这种机器，有带手柄的轮子，摇动手柄，轮子即带动玻璃盘或硫磺球快速旋转；当它们与物体摩擦时，就会产生电荷；转动速度越快，摩擦时间越长，产生电荷就越多。这些电荷可以通过与它们接触的金属丝，由一端传到另一端，有时会在空气中产生爆炸般的火花。

这种起电机能够方便地产生电，但是不能贮存电；一旦停止转动，玻璃盘或硫磺球上的电，就会通过空气或沿其表面消失得一干二净。

一件偶然的事，使人们找到了贮存电的简单办法。1745年的一天，荷兰莱顿大学教授马申布洛克（1692-1761）用起电机使装在玻璃瓶里的水带电，他把细长的金属链一端垂入瓶中，另一端与起电机相连，自己则用一只手握着玻璃瓶，另一只手迅速摇动起电机的转轮。当他正在端详带电的水有什么变化时，刚刚松开摇把的手无意中碰到了金属链，突然，他的身体受到强烈的电击（事后马申布洛克说，那次我差点完蛋）。平静之后，马申布洛克马上想到，是装着水的瓶子里的电击了他，因为那时瓶子早已离开了起电机。这一意外发现令他欣喜若狂，原来，电可以像水一样贮存。

随后，马申布洛克用各式各样的瓶子贮存电，发现不一定要装水，只要在干燥的玻璃瓶内外壁各贴一层相互绝缘的金属箔，内层与起电机相连，外层与大地相连，起电机产生的电就会贮存在瓶子里。瓶子越大，玻璃壁越薄，贮存的电就越多。这种装有电的瓶子，其重量没有任何变化，也看不见里面有任何物质，可以随意搬来搬去。但是，只要在内外两层金属箔上各连出一条金属丝，使它们的尖端相互靠近，就会在空气中产生啪啪的火花。人们称这种能贮存电的瓶子为“莱顿瓶”。

当时，一些聪明的欧洲人为莱顿瓶这种能存电的瓶子找到了两个奇特的用途：一些人利用它帮助乡村农户屠宰牲畜，他们先用莱顿瓶放电击昏牲畜，再令它们安静地结束生命；另一些人则用它恶作剧，让人在毫无防备的情况下触电出洋相。有个名叫诺雷的神父，曾在法国皇帝路易十五面前开过一个大玩笑，他让700名修士手拉着手站成一圈，第一个修士的手触摸莱顿瓶的一条引线，最末的那个修士触摸另一条引线，使700人在一瞬间同时遭受电击，人们惊恐万状，长袍飞舞，令皇帝乐不可支。后来人们知道，电以光的速度传输，而修士撒开手至少在0.1秒钟以后，因而莱顿瓶通过人体放电，无人能够幸免。

1746年，美国政治家、发明家富兰克林（1706-1790）在得到一只莱顿瓶后开始研究电。这位没有上过大学也没有导师指点的学者，以自己的方式探索自然。当夜幕降临时，他注意到莱顿瓶引起的火花放电，在空气间隙出现飘忽不定的闪亮通道，通道上的闪光和啪啪的声音同时出现，很像是天空闪电的微缩景观。他突然产生一种联想：天上的雷电和人们用摩擦产生的电会不会是一回事？

1752年7月，富兰克林做了一个冒险的实验——在雷雨将至时，将一个风筝放飞天空，风筝顶上系着一根细铁丝，风筝的细线下端系着一串金属钥匙；再用一段干燥的绳子，一端系在钥匙上，另一端握在手上（富兰克林知道，被雨水沾湿的风筝线会导电，干燥的绳子可以阻断电流通路，使自己不受伤害）。当雷电发生的时候，富兰克林看见钥匙的尖端出现了时断时续的火花，他用莱顿瓶把钥匙上产生的电贮存起来认真研究，发现它与起电机产生的电没有什么不同。于是他对雷电的成因解释说：天空中云和云相互摩擦或云与地面相互摩擦产生了大量的电，这些电释放出来的时候，就产生了雷电。由于云层的空间尺度和运动规模很大，产生的电比人们在实验室中用起电机产生的电量多得多，所以天空中的雷电才显得格外神奇壮观，它与人们常见的摩擦起电在本质上是一样的。

1747年，富兰克林用莱顿瓶研究不同形状的金属物体产生的电火花有何不同，结果发现尖端最容易放电，球形最不容易出现火花。当他发现闪电与摩擦起电是同一种现象时，发明家独有的思维方式使他想到，可以利用建筑物顶上指向天空的金属针，通过尖端放电，把云中贮存的电引入地下，以避免建筑物遭受雷击。1760年，富兰克林给美国费城的一座高楼装上了第一枚避雷针，20年之后，费城已经装有数百枚避雷针。这是人类在探索电的历程中做出的第一件有实用价值的发明。这项发明很快传到英国，由于富兰克林是坚决反对英国殖民统治、领导美国独立建国的重要人物，英国当局出于对他的仇恨，曾经颁布命令，英国的建筑物不许采用富兰克林发明的尖端避雷针，如果要用，也只能用球形。后来一些英国建筑物多次遭雷击，当局便悄悄取消了这个禁令。直到19世纪后期，英国的许多教堂还是不愿意安装避雷针，他们认为雷电是上帝在惩罚有罪的人，教堂不会遭受雷击。有位拿不定主意的神父曾经私下询问发明家爱迪生（1847-1931），教堂不装避雷针是不是可以免遭雷击？爱迪生说，上帝有时候也会大意。

到18世纪后期，通过实验定量研究自然现象，已经成为许多学者的习惯，这种源于16世纪的研究方法，开始由力学逐渐扩展到其他领域。1785年，法国科学家库仑（1736-1806），发现了电荷之间相互作用力的规律。

很久以前，人们已经知道电荷只有两种，同种电荷互相排斥，不同电荷互相吸引。但是这种相互排斥或吸引的力非常小，难以测量，2000多年来人们始终无法了解这种力的规律。库仑是一位细心窥探自然奥秘的人，他注意到用古老的纺车把棉花纤维捻成细纱的时候，如果纱线断头，绞在一起的纤维会迅速松开反卷回去，绞合力越大，反卷的圈数就越多。这一司空见惯的现象，启发他想到利用有弹性的细小纤维扭转变形，测量微小的力。

1781年，库仑发明了扭秤。不过，实用的扭秤不再采用难以控制的棉纱，而是一根垂直悬吊的细金属丝，下面系着绝缘的水平横杆，横杆两端放置带电小球。水平方向的静电力使悬丝扭转，在悬丝上方有一面固定的小镜子，一束光投射在镜面上。镜子和悬丝一起转动时，反射的光点会产生很显著的偏移，从而测出微小的转角。根据扭转的角度，可以精确测量这种难以感知的力的大小，其灵敏度远远超过弹簧秤和使用砝码的天平。

近代科学诞生之后，许多科学家为了探究新的领域，总要先创造出新的实验装置和测量仪器，因此科学家常常又是发明家。

库仑使用扭秤精确测量各种情况下力的变化，发现了它们遵循的规律。这种相互吸引或排斥的力，与两个小球所带电量的乘积成正比，与两个小球之间距离的平方成反比，它的数学形式很像牛顿在1687年发现的万有引力定律。不同的是，牛顿出于理论上的推断，库仑则通过精细的测量归纳出这一定律。

这是科学家在电学领域发现的第一个基本定律，直到今天，人们还没有发现它与事实不符的地方。为了纪念这位探索电的先驱，人们把电量的单位称为“库仑”。

不久，意大利博洛尼亚大学解剖实验室发生的一件怪事，悄悄地改变了电学研究的方向。实验室工作人员在无意中用手术刀触碰放在金属工作台上的一只解剖过的青蛙时，发现早已死去的青蛙，其肌肉会像青蛙活着时一样收缩颤动。解剖学家伽伐尼（1737-1798）把青蛙肢解后仔细研究，结果发现，只要有两种不同金属制成的物体同时触及青蛙肌肉不同的部位，就会观察到青蛙肌肉的收缩。他认为这是一种神秘的“生命元素”发出了电流，就像人们早已知道的一些鱼会自己发出电一样（例如电鳗和电鳐）。1791年，伽伐尼发表著作《论肌肉运动产生的电荷》，人们把这种电流称为“伽伐尼电流”。

其时，意大利维尼亚大学物理学教授伏打（1745-1827）正在研究电学，当他知道这个消息后，重复了伽伐尼的实验，并对此提出了不同的解释。他认为是青蛙体内的某些物质在水的参与下，与两种金属发生了化学反应，在金属片之间产生了能够推动电荷运动的力量（后来人们把这种力量称为“电压”），流动的电荷刺激了青蛙的神经，引起肌肉收缩。他还用自己的嘴做了一个实验，用舌头舔一片锡箔，再用一只银勺触碰舌根，舌头上出现了一种令人很不舒服的奇怪味觉。他认为是锡和银在唾液参与下发生化学反应，产生了刺激味觉神经的电流。

为了证实自己的推断，伏打发明了非常灵敏的验电器，利用静电排斥力引起金属箔片分开的角度变化，测量微小的电压。他研究过锌、锡、铜、银、金等容易加工又不易锈蚀的金属和石墨，发现这些材料中的任意两种与溶液接触，都会产生电压，材料不同，产生的电压也各不相同。1800年，伏打发明了人类历史上最早的化学电源。他在一块浸透盐水或碱溶液的皮革两侧分别贴上锌片和铜片，用金属导线把锌片和铜片连接起来，感觉到金属导线在微微发热，看见锌片和铜片与皮革接触的地方发生了化学反应。

为了让人们对他的发明有深刻的印象，伏打设计了一个恶作剧般的实验。他用几十片铜锌做成的电极分别夹着浸透盐水的绒布，叠压成一个高高的柱子，用两条金属丝分别与最上面的锌片和最下面的铜片相连，金属丝的另一端分别置入两个盛水的盆中，然后他问：谁敢把两只手同时伸进这两个盆里？所有冒险的人无一例外都遭到了强烈的电击。

伏打关于“伽伐尼电流”的解释和他发明的化学电源很快被人们接受，在伏打发明的这种装置里，两个金属电极之间好像有一种神奇的力量推动着电荷运动。为了纪念这位杰出的科学家，人们把电压的单位定为“伏特”。

19世纪初，人们已经能制造出许多种柔韧细长的金属丝。这些金属丝具有良好的导电性，在空气中不易锈蚀，它们逐渐成为物理学家研究电荷运动必不可少的材料。当时在电学实验室里，电池和金属导线已经取代了起电机和莱顿瓶，物理学家有可能充分研究流动电荷产生的各种效应。

伏打发明化学电源20年之后，丹麦哥本哈根大学自然哲学教授奥斯特（1777-1851）发现了电和磁的联系。2000多年来，人们一直认为电和磁是互不相干的两件事，仅对它们进行孤立的研究。奥斯特十分赞赏哲学家康德（1727-1804）关于自然界各种现象之间有着深刻内在联系的观点，他认为电能够产生热、产生光，还会发出声响，例如放电时的“啪啪”声，电可能也会产生磁，他希望找到电产生磁的证据。1820年4月，在一次讲授“各种电与磁的现象”的课堂上，奥斯特演示了当时能够做的各种电和磁的实验，当他举起手中的指南针向学生讲述地磁场的作用时，发现磁针并不指向南方，而在水平方向偏转了一个很大的角度。他注意到，刚才做过实验的伏打电池与相连的导线没有断开，是电流引起磁针偏转。

奥斯特决定深入研究这种奇特的现象，他在3个月的时间里做了60多次实验，研究各种情况下电流对磁针偏转的影响，并发现所有通过电流的导线都会使周围磁针发生不同程度的转动。1820年7月21日，他用拉丁文发表了自己的研究报告。

奥斯特的新发现迅速传到德国和瑞士，正在日内瓦访问的法国物理学家阿拉果（1786-1853）立即带着这一新闻回到法国，并于1820年9月4日在法国科学院的例会上宣读了奥斯特的这篇论文。此后，法国科学家安培（1775-1836）、比奥（1774-1862）和沙伐尔（1791-1841）等人迅速做出反应，对这一现象进行深入研究。

在1820年9月18日、9月25日和10月9日的法国科学院例会上（该例会每星期举行一次），安培提交了三篇研究报告。报告指出，线圈通电时对磁针的作用与磁铁相似，他推断磁铁之所以能够使磁针运动，是由于内部存在着环形电流，而且他认为磁针之所以指向南北，是因为地球内部存在着与赤道方向相一致的环形电流，磁在本质上是电荷运动的结果。他发现，只有运动的电荷才能产生磁。他还发现，通电导线之间也存在着相互作用力，电流方向相同的导线相互吸引，电流方向相反的导线则互相排斥，这种相互作用力可以延伸至很远的地方。

在1820年10月30日的法国科学院例会上，比奥和沙伐尔报告了他们发现的通电导线对磁针作用的定律，通电导线对磁针的作用力与电流成正比，与距离成反比。数学家拉普拉斯（1749-1827）还用微积分符号写出了这一定律的另一种表达形式。

在奥斯特宣布自己发现电与磁的联系100天后，科学家们已经非常清楚地了解电如何产生磁，并且开始探寻物质产生磁性的内在原因。为了纪念这项研究的先驱，人们把磁场的单位定为“奥斯特”，把电流的单位定为“安培”。

新的科学发现常常导致新的技术发明。1821年，世界上出现了两件重大的发明——电动机和电流表。电动机能够使电转换成机械运动，揭开了电气时代的序幕；电流表则可以使人们“看见”电荷的流动、测量电流的大小，对电磁学进行定量研究。

1821年9月，英国物理学家法拉第（1791-1876）发明了电磁转动实验装置，他利用伏打电池产生源源不断的电流，使一段通电的直导线在水银杯中不停地围绕中央的一根磁铁棒缓慢旋转。后来，他又使一根倾斜的磁铁棒在水银杯中自行围绕固定在杯中央的直导线不停地旋转，从而做成了人类历史上最早的电动机。这一构想最早是由当时英国皇家学会会长沃拉斯顿（1766-1828）提出的，但他没有做成。法拉第认真阅读了1820年法国科学家们的研究报告，分析了导体在磁场中受力的情况，并采用水银作为减小摩擦阻力的导电介质，完成了这一发明。

还是在这一年，几位在不同的电学实验室工作的欧洲科学家，不约而同地想到利用线圈和磁针测量电流的方法。他们在两个相隔一定距离的垂直线圈之间，水平放置一枚可以自由转动的磁针。当线圈不通电时，磁针和地磁场的方向一致；当有电流通过这两个线圈时，电流产生的磁场会推动磁针偏离原来的指向，偏转一定角度后，线圈产生的磁力和地磁场的作用力达到新的平衡，磁针静止不动。电流越大，磁针偏转的角度就越大，根据磁针的偏转角度，可以知道线圈中电流的大小。这种巧妙的装置将人无法看到的电荷运动，转换成视觉可以分辨的磁针空间位置的变化，轻而易举地解决了电流的测量问题。这项发明为电磁学的研究和日后电气技术的应用奠定了重要的基础。（未完待续）

最早的储存电荷的装置——莱顿瓶

左上图、左下图：邮票上的富兰克林（1706-1790）

右图：富兰克林进行风筝实验场景的想象图

左图：英国皇家学会为保障伦敦军火库安全进行避雷针实验。

右图：闪电击中了纽约世贸大楼，避雷针使大楼安全无恙。2001年9月11日，这座大楼和旁边另一座姐妹楼在恐怖袭击中被摧毁。

伽伐尼（1737-1798）在解剖青蛙时发现，只要用两种不同的金属同时触及青蛙肌肉的不同部位，就会观察到青蛙肌肉的收缩。他认为这是一种神秘的“生命元素”发出的电流。

伏打（1745-1827）

奥斯特（1777-1851）

安培（1775-1836）