1.1 雷电和静电

整本书的开篇第一句话从哪开始呢？本书是关于电气工程学科中电力电子的，“电”字出现的频次最高，那肯定要从“电”第一次出现开始，在我们国家那就是使用甲骨文记录的“电”，如图1-1所示。在殷商时期，甲骨文的“电”，像是神秘的霹雳、不同方向开裂的闪电。这个甲骨文“电”以后大家会经常见到，因为比亚迪高端汽车品牌“仰望”标识就是灵感源自甲骨文“电”，如图1-1c所示。“电”刚好表明电动汽车技术和产品路线，同时“电”推动了现代科学的飞速发展，人类社会也因此发生了翻天覆地的变化，时至今日，“电”仍然是科技发展中的主角，持续推动科学技术迈向更高维度。

“电”字的整个演变过程，如图1-2所示。到了周朝的“金文”，以及秦朝的“小篆”“隶书”等字体，“电”字就从甲骨文里类似天上闪电向四方伸展的样子变成了繁体字“電”。我国汉字属于表意文字，人们看字形就能大致知道汉字所要表明的意思。这一点在繁体字“電”中也有体现。“電”为上下结构的字，上面是雨字头，底下是电字底，这种字形就表明：“電”（雷电）是和下雨有关的自然现象。所以，通过对“电”（電）字的古代演变的分析和解读，我们就能看出：电在古代的本意就是闪电的意思。殷商时代的《易经》中就有“刚柔分，动而明，雷电合而章”。先秦诗经《小雅·十月之交》中有“烨烨震电，不宁不令。”，记录了公元前780年时陕西岐山大地震的情形，即地震时电光耀眼、噼啪闪烁，大地不停地震动。汉朝许慎《说文解字》中有“电，阴阳激燿也。”，即天空中阴阳能量激合而爆发的耀眼光带。可见，中国古籍中的“电”字都指的是闪电，并逐步用阴阳理论加以解释。

除了令古人感到恐惧的闪电外，人类对电的认识就是从静电开始。东汉王充《论衡·乱龙》中有“顿牟掇芥”的静电吸引现象，顿牟即玳瑁（一种与龟相似的海生爬行动物），芥指干草、纸等的微小屑末，也就是说经过摩擦的玳瑁（带有静电）能够吸引轻小物体。西晋时的张华《博物志》中有“今人梳头、脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有咤声。”明代的张居正曾记载一件亲身经历的现象：“凡貂裘及绮丽之服皆有光。余每于冬月盛寒时，衣上常有火光，振之迸炸有声，如花火之状。人以为皮裘丽服温暖，外为寒气所逼，故搏击而有光，理或当尔。”《张文忠公全集》（张居正暗暗炫耀他冬天的衣服都是貂裘，他觉得静电是冷气、热气搏击产生的，这当然是不对的） ^[1] 。

当然，摩擦起电的现象在国外同样也早有记载，古希腊著名诗人荷马所著的史诗《奥德赛》中记载有福尼希亚商人将琥珀项链献给西拉女王。人们发现琥珀经摩擦会发出光，并吸引纸屑，感到十分神奇，就视琥珀为珍宝。琥珀是一种树脂化石，把它磨光就呈现出黄色或红色的鲜艳光泽，是当时较为贵重的装饰品。人们外出时，总把琥珀首饰擦拭得干干净净。但是，不管擦得多干净，它很快就会吸上一层灰尘。虽然许多人都注意到这个现象，但一时都无法解释它。有个叫泰勒斯的希腊人研究了这个神奇的现象，经过仔细的观察和思索，他注意到挂在领项上的琥珀首饰在人走动时不断晃动，频繁地摩擦身上的丝绸衣服，从而得到启发。经过多次实验，泰勒斯发现用丝绸摩擦过的琥珀确实具有吸附灰尘、绒毛等轻小物体的能力。

“琥珀”在希腊语中称为“elektron”，1600年，英国的内科医生、自然哲学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）出版了物理学史上第一部系统阐述磁学的开山巨著 DeMagnete （《磁石论》），如图1-3所示。其中用一个拉丁语单词“electricus”来形容某些物体经过摩擦后能够产生吸引力，字面意思就是“像琥珀一样的”。吉尔伯特对静电和磁进行了研究，研制了简单的验电器，用来观测物体对静电的感应，吉尔伯特通过实验对比，将磁现象和静电现象做了比较严格的区分和系统性研究。吉尔伯特是当之无愧的电学和磁学先驱者，为了纪念他，在CGS单位制中，吉尔伯特（Gilbert）用来表示磁通势，简称吉伯，对应MKS单位制中的安匝数[转换关系如下：1Gilbert（吉尔伯特）=0.796A（安培）]。1646年，另一位英国内科医生、作家托马斯·布朗（Thomas Browne）在其著作中有“electricity; that is，a power to attract straws and light bodies”，开始用英语单词“electricity”（电）。从此以后，原本表示“琥珀”的词根electr-，就引申出了“电”的含义，衍生出了大量与“电”有关的单词。

1663年，德国马德堡的奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）发明了摩擦起电机，他用硫磺制成形如地球仪的可转动物体，用干燥的手掌擦着干燥的球体使之停止可获得电。当然，对格里克而言，他更伟大的发明是空气泵，用该泵可以在容器中产生部分真空，并进行了一系列著名的实验，如马德堡半球实验，将两个直径约35.5cm的半球合在一起，抽出里面的空气，这两个半球就紧紧地合在一起，最后用了16匹马使劲拉才将它们分开，证明了大气压的存在。

格里克的起电机制成之后，逐渐在欧洲传播开来，很多人都重复和改进这个实验。其中影响最大的是“无名英雄”弗朗西斯·豪克斯比（Francis Hauksbee）。豪克斯比是牛顿的实验助理，1705年，豪克斯比在研究格里克的起电机时，发现玻璃球可以摩擦起电，不需要硫磺。后来他将两个玻璃半球粘合在一起，加上曲轴手柄来摇动；同时玻璃球抽成真空，在里面充入了少量汞蒸气。当他熄灭灯光，用手压住玻璃球，并摇动手柄时，看到了玻璃球中闪烁着蓝色的“小闪电”，这其实是气体的辉光效应，不过当时人们并不明白。豪克斯比的实验立刻引起了轰动，人们用“创造了上帝的奇迹”来形容这个发明，随后他当选为皇家学会会员。豪克斯比起电机兴起了对电学研究的新高潮，这种机器在此后的一百多年里一直被用于产生静电，直到感应起电机出现。

豪克斯比长期以来只是当作牛顿的助手而被人所知，同富兰克林、法拉利等不同，在电学历史上很少有人注意到他的贡献，但其实他的实验仪器制造对电学发展提供了巨大的推动力。2010年英国皇家学会以他的名字设立了“豪克斯比奖”，以表彰那些为支持国家科学研究而默默工作的无名英雄。

1729年，英国物理学家斯蒂芬·格雷（Stephen Gray）发现电是可以传导的，但能传导多远呢，格雷做了一个实验，用一根黄铜丝连接一个铁球，再用丝绸将黄铜丝包裹起来，成功地把“电流体”传输到了800ft 以外的铁球上，就这样，世界上的第一根电线诞生了（见图1-4）！格雷通过各种实验，证明所有物质都可以分为“导体”和“绝缘体”。1732年，格雷还发现了静电感应现象。1731年，因为对导体的发现，格雷获得皇家学会的第一枚科普利奖章（Copley Medal，为英国皇家学会颁发的最古老科学奖，视为科学成就的最高荣誉奖，世界上历史最悠久的科学奖项），1732年又因为静电感应实验而获得了第二枚。

1733年法国化学家查尔斯·杜菲（Charles DuFay）发现带电的树脂棒会吸引被玻璃棒排斥的谷壳，类似地，被树脂棒排斥的谷壳会被玻璃棒吸引，显然，有两种不同的电流体，他分别称之为树脂电（即负电）和玻璃电（即正电），并总结出静电作用（静电力）的基本特征：同性相斥，异性相吸，两种电接触后就消失。

1746年荷兰莱顿大学的物理学家马森布罗克（Pieter van Musschenbroek）偶然发现了电荷存储现象并进行了研究[1745年，德国发明家克莱斯特（Ewald Georg von Kleist）同样独立发现并进行研究]，后来称该电荷存储装置为莱顿瓶，典型的莱顿瓶如图1-5所示，是一个玻璃容器，内外包覆着导电金属箔作为极板。瓶口上端接一个球形电极，下端利用导体（通常是金属锁链）与内侧金属箔或是水连接。莱顿瓶的充电方式是将电极接上静电产生器或起电盘等来源，外部金属箔接地，内部与外部的金属将会携带相等但极性相反的电荷。莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。刚开始，科学家们以为是封闭的瓶子存储了电荷，后来发现，就算只有两块平板，只要让它们不接触，也能储存电荷，而并不一定要做成像莱顿瓶那样的装置，这就是电容器雏形。

1752年美国政治家、科学家本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin，自1928年以来，每个版本的100美元钞票正面的人物均为富兰克林）进行了著名的风筝实验，证明了天空中的雷电与莱顿瓶中的电性质相同，因而发明了避雷针。1753年，英国皇家学会授予他科普利奖章，理由是“由于他对电进行了非同寻常的观察与实验”。富兰克林还用实验证明电荷不是摩擦创造出来的，仅仅是从一个物体转移到另一个物体，任何一个绝缘体中的总电荷量不变，这就是现代电学中的电荷守恒定律。它还是正电和负电的命名人，他用数学上的正、负概念来解释正电和负电的性质 ^[2] 。

严格地说，此时对电学探索只是一些定性的观察和实验，还缺少电学的基本概念指导，对于定量的规律研究尚未开展。1785年，法国物理学家库仑（Columb）对静电的引力和斥力做了定量的测量，并在同年发表了库仑定律，即两个电荷之间的力与电荷的乘积成正比，与电荷之间距离的平方成反比。库仑定律可以说是为电学奠定了科学基础，从此电学进入了科学行列。为纪念库仑，1881年在巴黎召开的第一届国际电学会议决定用他的姓氏“库仑”命名电荷量的单位，简称为库，符号C。1889年，在法国大革命100周年之际，巴黎埃菲尔铁塔落成，为了纪念过去100年来科学技术的进展，埃菲尔决定在铁塔基座上刻上72个法国数学家、科学家、工程师的名字，其中就有库伦（还有后面要讲到的安培）。

其实在库仑之前，英国化学家、物理学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）也做过类似的实验，但没有及时把实验结果公布于世。一直到麦克斯韦审阅整理并出版了他的手稿后，人们才知道他在电学方面做出了很多重要发现，其中之一就是他发现一对电荷间的作用力跟它们之间的距离平方成反比，这就是库仑定律内容的一部分。 6WrAbU8+shktgjKTo5sCr8Lz+nccbT8g2ObsFsbVDiiWNoldxQy3Fg0vHrpCsKiA