很久以前,电与磁是两个不相关的概念。对磁的研究主要来源于一种被称为“吸铁石”的东西,而对电的研究主要来源于生活中的静电现象。
古代中国人很早就注意到了电磁现象。西汉时期成书的《春秋纬·考异邮》中便有“玳瑁吸”的记载。东汉时期的王充(公元27—约公元97)在《论衡》中有“顿牟掇芥,磁石引针”一类的记载。玳瑁是一种像龟一样的爬行动物,这里指的是用玳瑁壳做的饰件;顿牟仅在《论衡》中出现过,意思与玳瑁或琥珀差不多;和芥指的都是干草一类的小屑末。西晋时期的张华(232—300)在其所著的《博物志》中写道“今人梳头、脱着衣时,有随梳、解结有光者,亦有咤声。”大意是梳头、脱衣服时,梳子和衣服上会发光,且有叱咤之声。
在西方,古希腊哲学家泰勒斯(约公元前624—公元前547)曾研究过磁和静电现象。据说有天他正在研究吸铁石,身上的丝绸衣服不小心碰到了琥珀,摩擦之后能吸起一些细小的物体。泰勒斯将这一现象记录了下来。
转眼两千年过去了。1601年,英国女王伊丽莎白一世的医生吉尔伯特(1544—1603)重复泰勒斯的实验,试图寻找更多的可以摩擦起电的物体。最终,他将摩擦后能带电的物体称为“摩擦起电物体”,将摩擦后不能带电的物体称为“非摩擦起电物体”。吉尔伯特把自己的研究写入《论磁》中,还阐述了磁力可以远距离作用。此时的英语中还没有“电”的专有词汇,于是吉尔伯特根据希腊文中的“琥珀”一词创造了英文的“electric”(电)。
几十年后,德国马德堡市市长冯·格里克
(1602—1686)重复泰勒斯和吉尔伯特的实验,试图寻找更多的摩擦起电物体,却意外地发现了电的排斥现象:将带电物体接触金属,金属开始被吸引,过一会又相互排斥。实际上,这个有趣的现象可以分成两步去解释:首先带电物体将电传给金属,然后金属与带电物体带同样的电,从而产生排斥。格里克只注意到了电排斥,却忽略了“电传导”,即电可以从一个物体传到另一个物体上。
1720年,英国人格雷(1666—1736)将带电的玻璃瓶用木塞封装,令人意外的是,木塞也能吸引物体,由此得出电可以传导的结论。关于电传导与电排斥,物理学中经常用一个有趣的实验描述:人手触摸带电的大球,头发就带有相同的电荷,从而相互排斥,看上去像“爆炸”一样(图2.1)。
图2.1 头发爆炸
电能传多远呢?格雷做过很多实验。他用不同材料做的绳子系在空酒瓶子的木塞上,绳子的另一头接触摩擦起电的物体,观察木塞的带电情况。他发现绳子的传电能力取决于材质,有些材质几乎不传电,有些材质传电能力非常强——绳子沿着家里屋檐绕了一圈,木塞仍然能带电。格雷将这些材质分为“导体”和“绝缘体”,其中金属导电能力最强。在生活中,铜和铝常用作导线,导线外往往要裹上一层塑料,是因为塑料是绝缘体。随着科学的发展,还有另外一种物体在常温下的导电能力介于导体与绝缘体之间,因此被称为“半导体”,比如硅。半导体是20世纪最伟大的应用之一,也是今天科技的硬件基石。
说了这么多,电到底是什么呢?格雷认为电很可能是一种独立存在的物体或元素,所以称为“电素”
。这种物体可以传导,如水流动一般,因此也被称为“电流体”。
1733年,法国科学家查尔斯·杜菲(1698—1739)重复了格雷的实验。他把导体绝缘起来,发现导体也可以摩擦起电。他认为物体摩擦都可以起电,也就不存在“摩擦起电物体”和“非摩擦起电物体”。吉尔伯特之所以认为导体摩擦不起电,可能是因为导体导电能力强,电很快就转移了。
杜菲发现两根用丝绸摩擦的玻璃棒会相互排斥,却和毛皮摩擦过的琥珀相互吸引。二者接触后,电就消失了——显然是电传导所致。因此,他把电流体分为“玻璃电”和“琥珀电”,同种电之间相互排斥,异种电之间相互吸引。
1743年,热爱科学的美国政治家本杰明·富兰克林(1706—1790)第一次在费城看到来自欧洲的“电魔法”表演后,深深被这股魔力吸引。他做了很多实验,证实了杜菲的电流体分为两种的说法。这两种电流体会相互抵消,不如用“正电”和“负电”来命名更为直接。在富兰克林之前,人们认为摩擦起电是因为产生了某种电素。富兰克林通过大量实验证实摩擦只是表面的现象,起电的真正原因是摩擦使电流体从一个物体“流”到另一个物体上。他将电流体命名为“电荷”,荷者,负载也,电荷可以理解为负载电的小微粒。关于电荷,他用了一个非常形象的比喻:电荷似水,水流动起来叫水流,电荷流动起来就叫“电流”。既然是流动的,总和会不增不减,保持守恒,即“电荷守恒”。后来富兰克林从实验中证实了电荷守恒。
1745年左右,荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克(1692—1761)在做实验时,不小心把一个带电的钉子碰掉了,正好落到桌子下方的玻璃瓶里。他以为钉子上的电很快会跑光,所以徒手去拿,没想到被电了一下。他重复类似的实验,发现玻璃瓶可以将电存储起来。利用这个原理,马森布罗克制成了人类历史上第一个电容器——莱顿瓶。这个后来被称为“电容”的东西走进了实验室,从此实验中要用静电时,就不用和鲜豆浆一样现磨现做了。
摩擦起电后的物体可能会放电,产生火花,还有叱咤之声,与闪电类似。当时人们不了解闪电,认为闪电和雷是一起的。1750年,富兰克林收到英国好友寄来的莱顿瓶,做了一个著名的“风筝实验”:风筝上安装一个尖尖的金属,通过导线连接莱顿瓶,在雷雨天,把风筝放上天。果然,风筝上的金属被闪电击中后,莱顿瓶中不断闪着火花——天上的电传至电容中。富兰克林对莱顿瓶仔细研究,确定天上的电和静电没有两样,因此有理由相信它们本质上是一样的。闪电是放电现象产生的静电,雷是放电时产生的声音,它们是不同的物理现象,所以当时的人说:“富兰克林把上帝的雷和电分开了。”根据这一实验,富兰克林还发明了避雷针。需要特别注意的是,这个实验极其危险,当时德国一位科学家在做类似实验时,被电死了。此外,富兰克林的研究还为后人留下了一把钥匙。他把钢针放到莱顿瓶后,发现具有磁性,这说明钢针被磁化了,也就是说,电与磁是有联系的。正是这把小钥匙,开启了电磁学的大门——这是70年后的事了。
而眼前急需解决的是静电之间是怎样相互作用的。从表面上看,它和万有引力倒还有几分相似——可以远距离作用,这是否意味着磁力、静电力和万有引力一样呢?是否也具有如万有引力一般的公式呢?是否意味着牛顿的超距作用仍然有效呢?再往大处说,牛顿的力学体系是否还能继续支配整个宇宙呢?1785年,法国物理学家库仑(1736—1806)给出了答案。
库仑是法国军队里的一位工程师。当时的指南针由于摩擦力的缘故会出现不精确的情况,于是法国科学院出资悬赏改良。库仑发现用头发丝把磁针悬挂起来,会减小磁针与转盘的摩擦力,也就更加精确了。多次实验后,他计算出转动的角度和扭力成正比,即“弹性扭转定律”。有了弹性扭转定律,他做了一个同样著名的扭秤实验。
如图2.2所示,在真空玻璃罩内放置三个小球——两个带电小球和一个平衡小球。带电小球和平衡小球之间用一个悬丝吊起来。当悬丝转动后,通过测量角度,就可以计算出测电小球所受的静电力。送电小球可以改变其中一个带电小球的电荷量,从而推导出静电力的关系式。
图2.2 库仑的扭秤实验
那时还没有电荷计量仪器,库仑怎么知道带电小球的电荷量呢?试想一下:两个同种金属、同样大小的小球,一个带电,一个不带电,二者经过足够长的时间接触后,它们的带电量会怎样?毫无疑问,它们的带电量会平均分配(图2.3)。库仑经过多次实验,证实了这点,所以上述实验要用到很多一模一样的小球,从而获得1/2、1/4、1/8……的电荷量比值关系。
图2.3 电荷均分
经过多次测量,库仑求得静电力与电荷量、带电小球之间距离的关系公式:
一股熟悉的味道扑面而来。没错,正是平方反比,正是万有引力!当人们看到万有引力的“孪生兄弟”时,还有什么理由不相信它们是一个“爹妈”生的呢?然而,静电力的作用是否也是超距的呢?肯定是的,因为库仑已经将玻璃罩内抽成了真空
,也就没有了传递介质。自此,牛顿的超距理论更多了份不容置疑。
库仑定律将静电学划分为两个时代——定性时代和定量时代。因此,人们常常将符合平方反比的静电力称为“库仑力”,并以他的名字作为电荷的单位。由于库仑的巨大贡献,他的观点也显得举足轻重。在库仑看来,静电与磁之间仅仅有些相似,并没有什么联系。不过,他的想法最终会改变——这是35年后的事了。
而眼前还有件非常奇怪的事值得推敲。1780年,意大利动物学家伽伐尼(1737—1798)在解剖青蛙时发现一个奇怪的现象:把已经杀死的青蛙放在台上,用刀叉碰青蛙腿,蛙腿就会剧烈地抽搐和痉挛,就像诈尸一般,同时还会产生电火花。18世纪中叶,人们发现静电对人体会产生影响,由此兴起了医用电学。伽伐尼对医用电学很感兴趣,实验室中也有一个起电机,他想可能是青蛙受到了起电机的干扰,可是当他关掉起电机后,青蛙抽搐依然如故。当时正是下雨天,他又想可能是空气放电导致青蛙抽搐的。为了证明这一点,他将青蛙用铜钩钩住,挂到花园的铁栅栏上,果然青蛙抽搐得更加剧烈。奇怪的是,在晴朗的天气里青蛙偶尔也会“复活”,只是没有那么剧烈。青蛙身上的电到底是从哪来的呢?伽伐尼百思不得其解。
转眼6年过去了。一天,一艘英国轮船从南美洲带回来了欧洲人闻所未闻的电鳗鱼。这种鱼会放电,人被电到后的感觉和被莱顿瓶中的电电到差不多,后来有人用电鳗鱼成功地给莱顿瓶充了电,所以人们相信电鳗鱼是一种动物放电现象。消息传到了意大利,伽伐尼很激动。他认为除摩擦起电和闪电外,还有一种电叫“动物电”,存储在动物体内,与生死无关。为了验证自己的想法,他做了多次实验,比如将刀叉换成石头、树脂、玻璃等,青蛙均一动也不动。他给出的解释是:金属具有很强的传导能力,能让体内的电荷流动,从而让青蛙抽搐起来;石头、树脂是绝缘体,电流不能在绝缘体上流动。如此说来,每个动物体都是一个莱顿瓶,里面装着动物电。
1791年,意大利物理学家伏特(1745—1827)在报纸上看到了伽伐尼的文章。一开始,他也相信伽伐尼的动物电假说,并做了同样的实验:将两枚不同材质的硬币(铜币和银币)放入舌头上下,觉得有些麻麻涩涩的,很明显是电流所致,但当他把上下两枚硬币换成同一种金属时,奇怪的事情发生了,无论是铜币还是银币,舌头麻麻的感觉都比刚才小多了——电流小多了。既然金属都能导电,为什么电流的大小会不同呢?
伏特不断重复伽伐尼的实验,发现问题不在青蛙身上,而在手中的叉子上。同种金属,青蛙抽搐不明显,不同金属,抽搐则要剧烈得多。为了排除实验中“动物”的干扰,伏特用蘸了盐水的湿布取而代之,结果也得到了同样的电流。于是伏特得出结论:所谓的动物电不是来源于动物体,而是来源于手中的金属;电流的本质是不同金属接触产生的,与动物没有任何关系。所以,他强烈建议用“金属电”代替动物电。
伏特曾写信告诉伽伐尼自己的推断,但伽伐尼坚持认为动物电的存在,因为同种金属也会让青蛙产生抽搐。伏特也意识到这点,认为是金属纯度不够导致的。
此后的几年伏特做了无数次实验,得出一组后来称为“伏特序列”的金属表:铝、锌、锡……铁、铜、银、金……当不同金属在一起时,就会产生电流(图2.4);前面与后面的金属相隔越远时,电流会越大。他灵机一动:如果将两种不同的金属首尾串联,堆在一起,就能使用持续的电流了,因此称为“电堆”。这也是现在干电池最初的样子。
图2.4 电堆
金属之间为什么会产生持续的电流呢?伏特没有答案,但他从现象总结出电流是怎样流动的。电流如水流,水会因为地势由高往低流,那么电流的流动肯定也是因为某种“势”。伏特将其命名为“电势”。电势与地势一样,有高有低,它们之间的差值称为“电势差”,也就是我们常说的“电压”。电压的单位就以伏特命名,简称伏(V)。我们日常生活用电的电压是220V,一节干电池约为1.5V。
1800年,伏特将自己的结论发表,并把电堆命名为“伽伐尼电堆”。在那个年代,静电学虽然发展得轰轰烈烈,但人们对其前景并不看好,主要是因为静电的制作过程太麻烦,产生的电流也转瞬即逝,还没怎么开始,就快要结束了。伏特发明的电堆恰恰改变了这点,因此被誉为“史上最神奇的发明之一”。