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第1章 早期的静电研究

1660年左右,德国马德堡市的市长格里克创制了一种机械装置,可以连续摩擦生电。他取一只儿童脑袋一般大的圆形玻璃烧瓶,把碎硫磺放进瓶里,一起加热,使硫磺融溶,在加热过程中不断加硫磺,最后,瓶里充满融化了的硫磺。再插入一根木柄,等硫磺冷却后,打破玻璃,得到一个漂亮对称的硫磺球。他把硫磺球支在木架上,让硫磺球转动,同时把一只手按在球上摩擦,于是硫磺球就会显示地球吸引万物的特性。另外一张图实验者正举着带电的硫磺球,球体移到哪里,那里一切轻质物体都受到吸引。纸片、羽毛纷纷朝它飞来,水珠滚动,枯叶摇晃。手指靠近,闪光、爆破声,与雷电无异。

为什么格里克会想到做一个旋转的硫磺球来做实验呢?

原来他并不是单纯为了演示电现象,而是为了证明地球吸引力乃是某种“星际的精气”,他曾做过许多真空实验,也和这个总目标有关。著名的马德堡半球实验就是他在1654年做的,在这个实验中,他演示了抽空的两个半球在大气压的作用下用十六匹马也没有拉开。

格里克的硫磺球实验确实模拟了地球的吸引作用,甚至他还显示了硫磺球的引力比地球吸引力大。然而,他也发现两者有不同之处。在硫磺球周围,也会有物体被排斥,羽毛在硫磺球和地板之间会上下跳动。格里克开始领悟到,重力并不能归结于电力,它们各有特点。接着,格里克又做了许多电学实验,其中包括电的传导和静电感应,可惜没有得到别人的重视。

格里克发明摩擦起电机的消息和他的真空泵一起在欧洲各国传开了。人们竟相仿制并改进他的起电机。人们发现,格里克的摩擦起电机其实不必把玻璃瓶打碎,甚至不用硫磺,直接用玻璃瓶就可以做实验。很多人对电感兴趣,有的是为了研究电的性质,有的则是用于表演魔术,让王宫贵族取乐。但是人们在有意无意的探索活动中,逐渐摸清了电的性质。

牛顿对电学也很感兴趣。1675年他用玻璃球起电机研究了电的吸力和斥力、火花放电等现象。1703年12月5日,英国皇家学会热闹非凡,这一天他们有两件新鲜事。一件是牛顿就任皇家学会主席,一件是牛顿任命他的助手豪克斯比担任实验师,牛顿希望在皇家学会提倡实验,恢复实验风气。豪克斯比当众表演了精彩的真空放电实验。他用摩擦起电机使真空发出辉光,说明真空也会产生电的现象。

进一步,豪克斯比还用棉线显示了电力,演示了“电风”。他做了一块玻璃圆柱体,长7英寸(约16厘米),直径也为7英寸,周围是一根木箍,上面等距离地连着许多条棉线,当他旋转并摩擦圆柱体时,棉线沿半径方向伸直,趋向一个中心。豪克斯比没有忘记他的恩师,他把这一事实联系到牛顿的宇宙学说,解释说:这些线条就像是受到了重力,沿直线方向吸向中心。

1720年,又有一位英国人格雷,他对电的传导进行了研究,发现摩擦过的玻璃棒所带的电可以转移到木塞上,再经细绳传到20米以外的骨质小球。他还让一个小孩做人体带电试验。他用丝绳把小孩吊在顶篷下,在小孩身下放许多轻质物体,例如羽毛之类。然后将摩擦过的玻璃管接触小孩腿部,结果小孩的手和头部都能吸引羽毛。

格雷通过实验,发现了电的传导性,而且分清了导体与绝缘体。

下一步进展是法国的杜菲作出的。格雷的实验引起了他很大的兴趣,他总结了前人的经验,提出了许多问题,例如:

1是不是所有物体都可以靠摩擦带电,电是不是物质的普遍属性?

2是不是所有物体当接解或靠近带电体时都可以获得电?

3哪些物体会使电的传递停滞,哪些利于电的传递?

哪些物体最容易被带电体吸引?

4斥力和吸力之间有什么关系?它们之间是否有联系,抑或是完全独立的?

5在虚空处在压缩空气中,在高温下,电的强度是增还是减?

6电和产生光的能力之间有什么关系?这一关系可以得出什么结论?

为了解答这些问题,杜菲进行了一系列实验。他首先发现能够带电的不仅限于琥珀之类的物品,任何东西,包括金属都可以带电,于是纠正了前人将物体分为“电的”和“非电的”两类的做法。为了证实一切物体都可以带电,杜菲以自己的身躯做实验。他让助手用绳子把自己悬吊在天花板上,然后带上电;当另一个人接近他时,从他身上发出电火花,产生噼噼啪啪的声响。

杜菲最大的贡献是分清两种电。他把两小块软木包上金箔,用丝线悬挂在天花板下,取一玻璃棒,用丝绸摩擦后,分别接触这两块软木,结果软木互相排斥。他又做了一个实验,取一松香棒,用羊皮摩擦后接触一软木,而用丝绸摩擦后的玻璃棒接触另一软木,结果发现两块软木互相吸引。他再用其他许多材料继续实验,发现有的相互吸引,有的互相排斥。于是杜菲认定电有两种。他把玻璃产生的电称为“玻璃电”,松香产生的电叫“松香电”。

莱顿瓶的发明使电学研究又上了一个台阶。1745年,德国的克莱斯特(1700—1748)做了一个实验。他用铁钉把电通到窄口药瓶中,瓶中盛水,瓶子与其他物体绝缘。原来他是想把电存在水中。读者也许会觉得他的想法太幼稚。请不要讥笑他,原始的观念往往导致科学的重大发明,克莱斯特试验果然有一定效果,他再用铁钉将瓶内的水和外界接通时,出现了强烈的放电现象。

克莱斯特没有放过这一现象,而是进一步寻找储存电的规律。他发现,瓶口及外表面必须干燥(注:不然电就会沿表面爬走了);如果瓶里装的是水银或酒精,效果更好。

克莱斯特把这一发现写信告诉了好几位友人,他们都回信说重复做了实验却没有能够得到同样的结果,原来克莱斯特在信中少说了一句话:实验者在用钉子通电时,要手持瓶子的外表面,人站在地上(注:也就是说,瓶子的外表面必须接地)。由于这个原因,克莱斯特的发现没有引起注意。

与时同时,另外有一位实验家在荷兰也做了类似的实验。他是莱顿大学物理学教授穆欣布罗克。他把金属枪管悬挂在空中,与起电机联接,另从枪管引出一根铜线,浸入盛水的玻璃瓶中,助手一只手拿着玻璃瓶,穆欣布罗克在一旁摇摩擦起电机。正在这时,助手无意识地将另一只手碰到枪管,顿时感到电击。于是穆欣布罗克自己来拿瓶子,当他一只手碰到枪管时,果然也遭到强烈电击。

穆欣布罗克不久写信给友人,信中写道:“蒙上帝怜悯,我才免于一死。我就是为法兰西王国也不愿再冒这个险了。”

信中他详细描述了实验的条件,所用器材和人的姿势。写得如此真切,令有冒险精神的读者无不跃跃欲试。后来这封信公开发表。许多人重复了莱顿的实验,莱顿瓶也由此得名。

在用莱顿瓶做试验的人当中,有一位法国电学实验家叫诺勒特最出色。他改进了莱顿瓶,大大提高了电的容量。

1748年他在巴黎让二百多名僧人(修道士)在巴黎修道院前手拉手排成圆圈,让领头的和排尾的手握莱顿瓶的引线,当莱顿瓶放电时,几百僧人同时跳起来,使在场的贵族们无不目瞪口呆。诺勒特组织的表演使电的声威达到了高潮。

莱顿瓶的神奇不胫而走,消息传到了美利坚合众国,又引出一番轰轰烈烈的情景,这时有一位有名的人物做了许多实验。他就是美国驻英大使富兰克林。

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