今天,人类社会的运行可以说是建立在电的基础上的。没有电,就没法看电视、听广播,没法打电话、用电脑,没法用洗衣机、电冰箱、空调,没法开动汽车、轮船、飞机、火箭,没法启动机器机床、仪器设备……总之,没有电,人们将寸步难行,人类将无法生存。电的发现和应用,可以说是人类历史上最伟大的创新之一。
事实上,电从地球出现的时候就有了。很多年前,人们就已经知道发电鱼会发出电击。根据公元前2750年撰写的古埃及书籍,这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”,是所有其他鱼的保护者。古罗马医生Scribonius Largus在他的著作中建议,患有像痛风或头疼一类病痛的病人去触摸电鳐,也许强力的电击会治愈他们的疾病。
公元前600年左右,古希腊的塞利斯(Thales)做了一系列关于静电的观察。他发现,琥珀用毛皮去摩擦之后,能吸引一些像绒毛、麦秆等轻小的东西。那时候的人们认为琥珀中存在一种特殊神力——“电”。中国古代一些文章也对类似现象做过记载。西晋张华记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象:“今人梳头,脱著衣时,有随梳、解结有光者,亦有咤声。”唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑猫皮起电:“猫黑者,暗中逆循其毛,即若火星”。公元1600年,当时英国女王伊丽莎白一世和后来詹姆斯一世国王的御医吉尔伯特(Gilbert)发现,用摩擦的方法不但可以使琥珀具有吸引轻小物体的性质,而且还可以使不少别的物体如玻璃棒、硫黄、瓷、松香等具有吸引轻小物体的性质。他把这种吸引力称为“电力”。这些现象说明了人类一早就认识了电,但是还不能运用。
1734年,法国人杜伐发现两种不同性质的电。一种是把玻璃棒用丝绸摩擦,然后将这根玻璃棒用丝线悬挂起来,再将另一根与丝绸摩擦过的玻璃棒靠近它,发现这两根棒相互排斥,于是他就把玻璃棒带的电称为“玻璃电”(即正电);另一种是把松香用毛皮摩擦,然后把这块松香靠近用丝绸摩擦过的玻璃棒,发现两者相互吸引,于是他称松香所带的电为“松香电”(即负电)。这就是人们所讲的同性电相互排斥、异性电相互吸引的现象。杜伐发现了这些现象,也做了最早的理论解释。
1746年,荷兰人莱顿(Leiden)做出了莱顿瓶。这是一个玻璃瓶,瓶的内外表面均贴上像纸一样的银箔,把摩擦起电装置所产生的电用导线引到瓶内的银箔上面,而把瓶外壁的银箔接地,这样就可以使电在瓶内聚集起来。如果用一根导线把瓶内表面的银箔和外表面的银箔连接起来,就会产生放电现象,发出电火花和响声,并伴随着一种气味。
在电的创新的道路上,一个关键人物是本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)。富兰克林的第一个重大贡献,就是发现了“电流”。他在1747年给朋友的一封信中提出关于电的“单流说”。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分量更多的电,它就被称之为带正电(或“阳电”)。如果一个物体少于它正常分量的电,它就被称之为带负电(或“阴电”)。
富兰克林对电学的另一个重大贡献,就是通过1752年著名的风筝实验,“捕捉天电”,证明天空中的闪电和地面上的电是一回事。他用金属丝把一个很大的风筝放到云层里。金属丝的下端接了一段绳子,另外金属丝上还挂了一串钥匙。富兰克林一手拉住绳子,用另一手轻轻触及钥匙。于是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。然而,据传,并没有实际证据证明富兰克林做过这个实验,这个实验可能仅仅是一个“思想实验”。
但是,无论如何,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。很多人都在重复富兰克林的这一实验。为什么?因为当时社会上对于雷电有一种恐惧心理,大多数人认为雷电是“上帝之火”,是天神发怒的表现。富兰克林的实验惊动了教会,他们斥责他冒犯天威,是对上帝和雷公的大逆不道。然而,他仍然坚持不懈,而且在一年后制造出世界上第一个避雷针,终于制服了天电。由于教堂高高耸立的塔尖常被雷电所击,教会为了保护教堂,最终也不得不采用了这个“冒犯天威”的装置。以前电一直被人们当作一种娱乐手段,从此总算找到了实际的应用价值,从而为电的实际应用开启了大门。
富兰克林的这个实验不仅在美国有很大的影响,还影响到世界其他国家。1753年,俄国科学家里希曼(Richmann)在屋顶上装了一根导线通到实验室,想用验电器来观察雷电现象。那时正逢雷雨交加,一个火球从上面传了下来,结果里希曼遭雷击而死亡。因此,富兰克林的风筝实验的影响,足以使每个电学家避免这种无谓的牺牲。
1800年春季,伏打(Volta)发明了著名的“伏打电池”。这种电池是由一系列圆形锌片和银片相互交叠而成的装置,在每一对银片和锌片之间,用一种在盐水或其他导电溶液中浸过的纸板或抹布隔开。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。现在看来,这只是一种比较原始的电池,是由很多锌电池连接而成为电池组。但在当时,伏打的发明使人们第一次获得了可以人为控制的持续电流,为今后电流现象的研究提供了物质基础,为电的应用开创了前景。伏打虽然发明了电池装置,但并不了解这种装置的原理。英国的化学家戴维(Davy)阐明了这种装置的原理,指出这类电池的电流来自化学作用,奠定了电离理论基础,并进而促使他的助手法拉第(Faraday)建立了电解定律。
1821年,英国人法拉第完成了一项重大的发明。在这之前的1820年,丹麦人奥斯特(Oersted)已发现如果电路中有电流通过,它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。法拉第从中得到启发,认为假如磁铁固定,线圈就可能会运动。根据这种设想,他成功地发明了一种简单的装置。在装置内,只要有电流通过线路,线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上,法拉第发明的是世界上第一台电动机,是第一台使用电流使物体运动的装置。虽然装置简陋,但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。
1831年,法拉第发现,当一块磁铁穿过一个闭合线路时,线路内就会有电流产生,这个效应叫电磁感应。一般认为,法拉第的电磁感应定律是他的最伟大的贡献。据此,1831年10月28日,他造出了世界上第一台发电机——圆盘发电机。
过去,人类在探索自然界的道路上也取得了很多的成绩,力量越来越超出自己肉体的限度。但是,人类掌握的力量大多是肉眼可见的,例如鲜红的火焰、巨大的抛石机、火药爆炸的威力,等等。换句话说,人类可以运用的能量形式,包括了热能、机械能、化学能。然而,这几种能量的使用,相比而言仍然是小规模的,人的力量可以被放大数十倍、数百倍,甚至数千倍,然而指数级的放大效应是难以产生的。
电动机和发电机的出现,是电的应用道路上的两个关键性的创新。借助电能,人类的力量取得了突飞猛进的增强。今天的普通人终于可以不费吹灰之力的实现过去梦寐以求的愿望了。例如,在深夜点灯看书,用电力实现大规模流水线生产,用电驱动火车、轮船、飞机,用电热炉做饭,用电话进行沟通,以及用电视机、收音机、录音机、照相机、虚拟现实和互联网把我们的生活变得丰富多彩。事实上,电成了一根力量巨大的杠杆,我们可以用它来发光、发热、生产、出行、通信、上网……人类的手中多出来一根变幻无穷的魔法棒。从此,人类终于掌握了过去只有“天神”“上帝”才具有的能力,为电气化时代的到来彻底扫清了障碍。