《人類科學技術史-234》16-17世紀電學

16-17世紀電學
1.格里凱起電機

17世紀初，吉爾伯特對靜電現象的觀察與研究雖然引起了人們對靜電現象的關注，但他只是提出了問題，并未能開拓近代電學發展的道路。在從17世紀初到18世紀末的近兩個世紀之內，近代電學的發展是比較緩慢的。

吉爾伯特之后，意大利一個比伽利略略晚的物理學家卡畢奧(1585-1650年）也曾對早期電學進行過研究。1629年，他在一次實驗中發現了同電相斥現象，但他無法對自己的發現進行更深入的實驗研究和理論研究。因此，研制新的電學實驗儀器，已成為當時電學進一步發展所面臨的首要問題。17世紀中期以后，近代電學之所以繼續有所發展，其首要原因是實驗技術的進步。

格里凱起電機真正點燃了近代電學的火炬。曾經任過德國馬德堡市市長的物理學家格里凱(1602-1686年），是一個具有杰出的實驗儀器研制才能的實驗物理學家。他在物理實驗儀器上有兩大發明。一是他在1650年發明了抽氣機，即真空泵。抽氣機使人類首次掌握了獲得真空的技術，這一技術使他得以在1654年進行著名的"馬德堡半球"實驗，即以真空實驗為基礎的大氣壓力實驗，而這一實驗是導致后來蒸汽機發明的主要實驗基礎之一。二是他在1660年發明了起電機，起電機的發明則真正開創了近代電學發展的歷史時期。

格里凱在發明抽氣機和進行"馬德堡半球"實驗之后，對靜電學進行了實驗研究和理論探索。他發現，有可能根據摩擦起電的原理研制一種摩擦起電的機械。1660年，他研制出了一個可以在支架的鐵軸上連續轉動的硫磺球裝置，當在人力操縱下飛快轉動的硫磺球與布片摩擦時，即可比手工摩擦產生更多的電荷，第一臺摩擦起電機就這樣發明了。

起電機發明后，即傳入西歐各國。牛頓對格里凱起電機進行了研究，1675年，他用玻璃球代替格里凱起電機中的硫磺球，也制成了一臺摩擦起電機。牛頓曾用他的這臺起電機研究過引力、斥力、火花放電等現象。

到了17世紀末和18世紀初，在西歐各國乃至北美殖民地，就出現了經過改制的各種式樣的格里凱起電機。由于起電機能獲得比手工摩擦時更多的電荷，這樣，關注靜電現象的人也逐漸多起來了。

1729年，倫敦的一個靠領取養老金生活的業余電學愛好者格雷(1670-1736年）和他的助手在運用格里凱起電機進行一次靜電傳輸實驗時發現，只要用絲線把金屬線懸掛得當，靜電可沿金屬線傳輸。當時格雷已把格里凱起電機上產生的微弱的電荷成功地送到765英尺(約233.172米）遠的距離，他的靜電傳輸實驗也許是在近代科學技術史上最早架設輸電線路的實驗，正是為了進行這一實驗而進行的各種傳輸材料的選擇中，格雷發現了導電體與絕緣體的差別，他發現絲線不導電，而與絲線同樣粗細的銅線卻具有很好的導電性能。格雷因此成為第一個用銅線作導線的人。

1731年，格雷發表了他的靜電傳輸實驗報告。在格雷實驗的基礎上，法國工程師杜菲在1734年進行了新的實驗研究，他發現，摩擦后的兩根琥珀棒相互排斥，摩擦后的兩根玻璃棒也相互排斥；但摩擦后的琥珀棒與摩擦后的玻璃棒卻相互吸引。杜菲因此認識到，電有兩種，他把其中的一類稱為玻璃電，而把另一類稱為琥珀電，而兩種電的關系是：同電相斥，異電相吸。杜菲的發現，是繼格雷之后早期實驗靜電學發展史上又一顯著的進步。

后來，法國另一工程師德薩居里埃在格雷的靜電傳輸實驗基礎上對電的傳輸材料進行了更為廣泛的實驗。1740年，他發表了靜電傳輸實驗報告，進一步論述了格雷的導電體與絕緣體的發現。

由于格雷和杜菲等人的努力，到了18世紀40年代初，人們對于靜電知識便日益豐富起來，從格里凱起電機在1660年發明，經過80余年的積累和發展，早期靜電學終于初具實驗與理論基礎。

2.萊頓瓶

格里凱起電機發明后，人們已可在起電機上產生一定的可供實驗用的電荷，但在起電機上產生出來的電荷，不僅電荷量不大，更主要的是不能保存下來，因而不便于對電學進行更進一步的研究。人們開始探索，能否研制出某種電器，它能像儲存水那樣，也能把起電機上產生出來的電荷儲存起來。

到了十八世紀40年代中期，人們終于發明了這種電學容器——萊頓瓶。

1745年，德國學者克萊斯特(1700-1748年）最先發明了這種可以使電流儲存起來的裝置，但并未用于電學研究。同年，荷蘭電學家馬森布羅克(1692-1761年）也獨立地發明了一個同樣可用來儲存電流的裝置，因他在荷蘭萊頓大學任教，所以這種蓄電器后來便稱為萊頓瓶。

在發明萊頓瓶之前，馬森布羅克已對電學進行了較長時間的研究。1745年初，他最先發現了電震現象，當時一些醫學家認為電震現象可能成為一種新的醫療手段——電療，正是在這一目的指導下，他獨立地發明了蓄電器。

萊頓瓶只能算是一種早期的電容器，它的制作方法，是在玻璃瓶的內外表面上都貼上錫箔，在瓶塞上再裝上一根銅線，這樣就可以把起電機上產生的電荷引入玻璃瓶中，電荷就會在玻璃的錫箔上蓄積起來。在一次實驗中，馬森布羅克曾用手觸及了已經蓄電的萊頓瓶，他立即感受到了強烈的電擊。而當他用一只手接觸萊頓瓶，用另一只手接觸銅線時，他立即感到"手臂和身體產生了一種無法形容的恐怖感覺，總之我以為我命休矣"。這說明，起電機上所產生的電荷，確實已在萊頓瓶儲存起來了。

1745年，馬森布羅克發表了萊頓瓶的實驗報告。萊頓瓶及其實驗迅速傳到法、英等國。法國電學家、杜菲的學生、后來成為富蘭克林的競爭對手的神父諾雷為了獲取法王路易十五的歡心，曾以萊頓瓶實驗為基礎，發明了一種別出心裁的電火化娛樂，諾雷讓700修士手拉手，在萊頓瓶發出的電震下同時跳躍，而700個修士身上的袈裟也隨之同時飄逸飛舞。萊頓瓶及其實驗傳到英國后，電學家沃森(1715-1787年）、化學家卡文迪許以及貝維斯等人，都曾對萊頓瓶及其實驗進行過研究。1745年，沃森等人用萊頓瓶進行了一次長12276英尺(約3741.7248米）的遠距離導線輸電實驗，試圖以此測定電的傳輸速度。雖然沃森等人只是得出了電是瞬時傳輸的這一初步的結論，但這一實驗卻進一步加深了人們對電的傳輸實驗的認識。1746年，沃森在他的實驗基礎上發表了《電的性質與特征》這一論著。

有了萊頓瓶之后，人們不但能在起電機上產生出較多的電荷，而且可以在萊頓瓶中儲蓄起少量的電荷了。有了這兩種電學實驗儀器，近代電學的發展才逐漸加快了步伐。這兩大儀器的發明，不僅直接奠定了近代電學的實驗基礎，更重要的是，它們使人們進一步認識到，科學的發展與進步，不僅有賴于理論思維的發展，更有賴于實驗技術的發展。沒有實驗技術本身的發展與進步，科學技術的發展與進步是不可能的。

3.庫侖定律和高斯定律

自富蘭克林以后，電學已在自身的發展中逐漸產生活力，但人們所用的主要電學實驗儀器，仍是格里凱起電機和萊頓瓶。由于在實驗儀器上未取得很大進展，同時由于俄國物理學家李希曼在1753年7月26日所進行的一次與富蘭克林的雷電實驗類似的實驗中喪生，因此在此后的最初10余年內，電學領域是相當沉寂的。在經過一段時間的沉寂后，電學最先在英國活躍起來。

在英國，繼富蘭克林之后最早進行電學研究的，是后來成為氧氣的發現者之一的化學家普列斯特列。1766年，普列斯特列在倫敦結識了富蘭克林，他根據富蘭克林的建議，在已進行過的初步的電學研究的基礎上，開始進行《電學史》的寫作，1767年，他完成并出版了這一著作。在此著作中，他根據富蘭克林所證明的中空帶電導體里面的靜電力等于零的環路定理，最先推導出了靜電力的平方反比定律。1774年，普列斯特列在發現氧氣后，曾進行了氫與氧的火花放電實驗，這一實驗是電學與化學相互滲透，從而產生了電化學這一新的邊緣科學的最初的實驗基礎。

從60年代起，英國化學家卡文迪許也在他自己的實驗內進行著與化學有關的電學實驗。他進行過鹽溶液的導電實驗，并由此測定過鹽溶液的導電系數，他也進行過富蘭克林做過的證明環路定理的中空導體內沒有電荷的實驗，他也與普列斯特列一樣，獨立地證明了靜電力的平方反比定律。

在英國之外，其他國家的電學也在最初的發展之中。1784-1785年間，法國物理學家庫侖(1736-1806年）通過扭秤實驗，對電的引力和斥力作了定量性的實驗分析，驗證了兩個靜止的點電荷之間的相互作用力的平方反比定律，即在兩個靜止的點電荷之間，它們的引力與距離的平方成反比：F=q1*q2/(ε*r*r）。其中F為兩個點電荷之間的引力，q1和q2為兩個點電荷的電量，r為兩個點電荷之間的距離，ε為介質的介電常數。這一定律的數學模型有點像萬有引力定律，也可能庫侖曾從萬有引力定律在受到過啟發。這一定律，本來普列斯特列和卡文迪許也曾發現過，但是他們未進行充分的理論證明，也未建立起明確的數學模型，因此在庫侖之前還不為人們所知。為了紀念庫侖的這一貢獻，這一定律后來被稱為庫侖定律，而"庫侖"也就成了靜電學中電量的度數單位。

在德國，青年數學家高斯(1777-1855年）在研究數學的同時，也進行了一些電學研究。他曾從庫侖定律推導出另一定理：通過閉合面向外的電通量，是閉合面內電荷量的代數和的4π倍。這就是后來靜電學中著名的高斯定理。庫侖定律只能用來描述點電荷之間引力，而高斯定理則把庫侖定律推廣到描述任意曲面上連續分布的電通量與曲面內的電荷的代數和之間的關系。

由于環路定理、庫侖定律及高斯定理的發現，靜電學因此獲得了較為堅實的理論基礎。