电的故事(1):静电、导体、绝缘体

自从电被人类发现并使用,电就与人的日常生活密不可分。人类真正懂得用电只有400年的时间,而真正有规模的使用电也只有200年的时间。电的大规模使用极大的节省了人类的体力和脑力劳动,推动了第二次工业革命,给人类社会带来了巨大的进步动力。

本文将带大家一步步回顾电的历史和趣闻,故事将先从我们身边的静电开始。

01 贵族的游戏

1703年,牛顿在成为英国皇家物理学会会长后,将自己人安排在关键职位上,负责演示实验的是35岁的弗朗西斯霍克斯比。

霍克斯比每周绞尽脑汁用引人注目的实验来打动上司。他想出了这个实验,用旋转的玻璃球,并用一种新机器抽掉了球中的空气,转动玻璃球,当屋里的蜡烛都熄灭时,霍克斯比将手放在玻璃球上。玻璃球内有一种奇特的缥缈的光开始形成并围绕着他的手,并不断跳动。在场的人从来没见过这种光,这种现象在当时被视为上帝的杰作。

霍克斯比从来没有意识到他的实验有多重大的意义,他对这个奇妙的发光球体失去了兴趣,转而去研究其他实验去验证牛顿的其他理论,而他也万万没有想到,随着欧洲启蒙运动的开始,这个实验在无意间开启了一场电气革命。

但具有讽刺意味的是,霍克斯比的新机器并没有被大多数知识分子所接受,反而对了魔术师和街头艺人的胃口,这些对电有兴趣的人自称为电学家。

在一次宴请奥地利伯爵的晚宴上,电学家把一些羽毛放在桌子上,用丝绸手帕摩擦玻璃棒,随后用玻璃棒提起羽毛,客人们惊讶不已。接着他用霍克斯比的设备使自己带上电,给客人来了个点击,大概是为了兴奋的尖叫,最后是他的得意之作,他把一杯白兰地放在桌子中间,再次使自己带上电,用手指尖逬出的火花点燃了白兰地。

实际霍克斯比的实验产生的是静电荷,而远在在古希腊鼎盛阶段的早期,这种难以分辨又转瞬即逝的神秘的静电现象就已经被记载,成了一种被记载的特殊研究对象。公元前600年,杰出的哲学家和天文学家塞勒斯(Thales)在米利都繁荣的伊奥尼亚港观察到一种罕见的、在硬度和透明度上如宝石一样的橘黄色琥珀。塞勒斯发现,当他用一块布快速地摩擦琥珀时,它似乎变活了,同时有那些轻微的物体,如羽毛、稻草或叶子向它飞来、粘住,然后又轻轻地离开、飘走。

回到霍克斯比所在时代,电狂热席卷欧洲,演出场面越来越大,伴随着欧洲启蒙运动,电学家开始思考更深层的问题,不仅是怎么样使表演更精彩,还有如何才能控制这种神奇的力量。更有人开始思考如何用理性来解释现象,这种现象除了娱乐神奇的火花还有什么作用。

02 人是导体

伦敦市中心的卡尔特济贫院,一个破产的丝绸染色工,发现了电可以传导的特性,确定了绝缘体与导体的概念。

斯蒂芬·格雷,生于英国坎特伯雷的一个手工艺家庭。接受过一些基本的教育之后,就跟着父亲当染衣学徒,后来成为了一个非常成功的丝绸染色工。他对自然科学非常感兴趣,工作时丝绸因静电产生的火花使他非常着迷。


不幸的是,一次严重的事故结束了他的职业生涯,让他一贫如洗,晚年寄宿在卡尔特济贫院。这个济贫院过去400年一直收容年幼的孤儿和老年人,18世纪20年代,这里成为了斯蒂芬格雷的家,开始了他的新生活。

在济贫院清净的生活中,格雷有充足的时间进行自己的电学实验。

一次,他在众多的观众注视下开始他的实验表演。斯蒂芬格雷建造了一个大木架,在顶梁上悬挂了两个秋千,绳子是丝绸做的,他还有一台霍克斯比机用来产生静电。他让济贫院的一个孤儿横卧在两个秋千之间,把一些金箔放在他前面,然后他转动霍克斯比机的手柄,通过一根连杆使男孩带电。这个实验被称为“飞翔的男孩”实验。

男孩手靠近金箔,金箔跃上男孩的手指,又迅速弹开,有些观众甚至说看到了有小火花从男孩与金箔之间飞出去。表演很精彩,也很成功。

但是格雷是个具有探索精神的人,并不至沉溺于表象带来的快乐,他认为这还有其他意义,电是可以移动的,从起电机传到男孩的身体,再传到男孩的双手,但丝绸绳却让电停了下来。

神秘的电流能通过某些物体,却不能通过另一些物体,于是,格雷将物质划分为两类,他把他们称为绝缘体和导体,绝缘体将电荷保留在自身,不让它通过,比如丝绸,毛发,玻璃和树脂,反之,导体允许电流流过,比如那个男孩和金属。

他进一步用其它材料放在玻管和象牙球之间做试验,用铁,铜线,铜币,锡,银等金属试;知道,它们是传电的,是导体。然后试非金属,如石头,以及一些绿的青菜等,它们是不传电的,是绝缘体。

这种划分很重要,一直延续到今天。

后来,格雷用不同长度的铜导线放在玻璃和象牙球之间做实验,验证电到底能够传导多远的距离。他当时只有800尺长的铜线,任然可以看到电能够传递的现象。就这样他发现了电能传导的现象。

格雷将后半生都奉献给电的研究事业。


18世纪30年代,格雷的实验震惊了所有观众,但他有一个令人沮丧的缺点,尽管格雷试了很多次,但不能长期储存他发的电,电从起电机传导到男孩身上后很快就消失了人们是怎么发现如何储存电的,这不是发生在英国,而是在海峡对岸的欧洲大陆。

未完待续...


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