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第15章 电磁学的发展(1)

对人类生活有着巨大影响的电和磁的应用,是科学家们不懈努力的结果。这一领域的代表人物有被称为“电磁学之父”的英国物理学家吉伯,有电气研究的先驱美国物理学家、社会活动家富兰克林,有法国物理学家库仑,有发明了电池的意大利物理学家伏打,有发现电流引起磁效应的丹麦物理学家奥斯特,有为电动力学奠定基础的法国物理学家安培,有创造了电磁学史上的第一台感应发电机的英国物理学家、化学家法拉第。电磁学之父——吉伯吉伯(1544~1603)吉伯,英国物理学家,出生于科尔切斯特。

1560年他毕业于剑桥大学圣约翰学院,获文学学士学位。1564年获文学硕士学位。1569年获医学博士学位。吉伯被称为“电磁学之父”,物理学上曾以他的名字定为磁通势单位。他首先创用电力、电引力、磁极等术语;描述用天然磁石摩擦铁棒使它磁化的方法,还发现带磁性的铁棒烧红后就失去磁性。吉伯认为地球是一块最大的磁石,地球引力就是这块大磁石作用于周围物体的磁力。他还观察到罗盘针在自由悬空时向下指向地球,从而证明存在地磁倾角,指出地球南北极不完全与地理南北极重合,而有一个不太大的偏离。吉伯支持哥白尼关于地球绕自轴旋转的观点,断定恒星与地球的距离是不一样的,认为磁性的吸引使行星维持在固有的轨道上。

吉伯主要著作有《论磁石》,这是物理学史上第一部磁学专著。

富兰克林——电学先驱富兰克林(1706~1790)富兰克林,美国物理学家、社会活动家,出生于波士顿。

他12岁到印刷所当学徒,未上过正规学校。他曾获耶鲁大学、哈佛大学、牛津大学等的名誉学位,是英国皇家学会第一批外国会员之一,还是法国科学院的院士,1731年在费城建立北美第一个公共图书馆。

富兰克林是电气研究的先驱者,他进行过各种新的电气实验,提出所谓电荷守恒概念,用数学上的正负概念来表示两种电荷性质,还发明了避雷针等。

富兰克林最著名的科学试验是在费城一个雷雨天里进行的一次震动世界的、用风筝吸取天电的试验,证明静电和动电的性质相同。这个发现在电学史上具有十分重要的意义。

富兰克林的研究成就并不限于电学方面,他对光学、热学、化学、植物学等都有贡献。

富兰克林在哲学上拥护自然神论,承认自然界的存在及其规律的客观性,他对自然现象的观察和研究相当广泛,特别是那种敢实验的精神,给人留下深刻印象。危险的实验

有一次,富兰克林做电学实验着了迷,抑制不住的他想为即将到来的圣诞节创造出一个奇迹,于是他设计了一个“电火鸡”的实验。

在实验中,富兰克林准备用从两只大玻璃缸中引出的电杀死一只火鸡,当他一只手在连接着的顶部电线上,另一只手握住与两个缸体表面都相连着的一根链子时,突然蹿出一道耀眼的电火,同时发出了如同放爆竹一样的巨大响声。富兰克林应声倒地,整个身子在剧烈地颤抖,握着链子的手蜷缩成鸡爪状,双目紧闭,面无血色。十几分钟之后,富兰克林才清醒过来,他慢慢地睁开眼睛,用微弱的声音告诉周围的人,他似乎见到了上帝。

科学家也是人,他们也会犯错误,而科学家的过人之处恰恰在于他们能从错误和失败之中揭示出鲜为人知的真理的奥秘。从这次挫折中,富兰克林得出了一个结论,串联起来的足够多的电瓶可以释放出如同闪电那样巨大的电流。

“请电”做客

富兰克林通过电学实验认识到了闪电的本质与电相同。但怎样才能证实闪电的本质和电相同呢?他想到了孩子们玩的风筝。如果在雷雨天的时候把风筝升到空中,或许能证实这一点。因为如果闪电是电,它就会沿着湿风筝线传导下来。

那是夏天一个阴霾密布的日子,暴风雨就要来临。富兰克林和他儿子威廉用一块大丝绸手帕做成一只风筝,他们在十字形的风筝骨架上装上金属丝,用来接引天空中的闪电。父子俩带着风筝和一只莱顿瓶来到野外。

不一会儿,雷声越来越近,狂风呼啸着卷过一团团乌云。富兰克林把风筝抛到风中,大声叫喊:“跑!”

威廉在旷野里拼命地奔跑起来,风筝扶摇直上,升到空中,紧接着大雨倾盆,雷电交加。

富兰克林的眼里闪烁着兴奋的光芒,狂奔起来。他追上威廉,接过风筝线,拉着儿子躲进旁边一座建筑物。这时候,他们的外衣已经湿透了。富兰克林掏出一把铜钥匙,系在风筝线的末端。只见风筝穿进带有雷电的云层,闪电在风筝上闪烁,雷声隆隆。

突然,一道闪电掠过。风筝线上有一小段直立起来,被一种看不见的力移动着。富兰克林觉得他的手有麻木的感觉,就把手指靠近铜钥匙。顷刻之间,钥匙上射出一串串电火花。

“哎哟!”富兰克林叫喊了一声,赶紧把手离开钥匙。无限的欢乐也像电流一样,顿时传遍他的全身。他喊起来:“威廉!我受到电击了!现在可以证明,闪电就是电!”幸运的是,这次传下来的闪电比较弱,富兰克林没有受伤。

事后,富兰克林用莱顿瓶收集的闪电,进行了一系列实验,证明它的性质同用起电机产生的电荷完全相同。

“驯服”雷电

富兰克林从风筝实验中,不但了解了雷电的性质,而且证实了雷电是可以从天空“走”下来的。“高大建筑物常常遭到雷击,能不能给雷电搭一个梯子,让它乖乖地‘走’下来呢?”富兰克林想。

他先在自己家里做实验,在屋顶高耸的烟囱上,安装一根3米长的尖顶细铁棒。在细铁棒的下端绑上金属线,沿着楼梯,把金属线引到底楼的一个水泵上(水泵与大地有接触),将经过房间的那段金属线分成两段,又将两股线相隔一段距离,各挂一个小铃。这样如果雷电从细铁棒进入,经过金属线进入大地,那么,两股线受力,小铃就会晃荡,从而发出响声。

电闪雷鸣,暴风雨就要来了。在雷声、雨声的“伴奏”下,守候在房间小铃旁的富兰克林,听到了小铃发出清脆、悦耳的声音,他高兴地笑了。

富兰克林把那根细铁棒称为“避雷针”。避雷针的问世,引起了教会的反对。他们认为:“装在屋顶的尖杆指向天空是对上帝的不敬”,“干涉上帝的事,对上帝指手画脚,是要受上帝惩罚的”。

然而,有一次在一场雷雨之后,神圣的教堂着火了,而装有避雷针的房屋却平安无事。于是,避雷针的作用被人们认识,避雷针也很快地传开了。到了1784年,全欧洲的高楼顶上都用了避雷针。

库仑发现库仑定律库仑(1736~1806)库仑,法国物理学家,出生于昂古莱姆。

库仑曾在巴黎军事工程学院学习。1774年被选为法国科学院院士。库仑是18世纪一位学识渊博的学者,在物理学上作出许多重要贡献。1781年,他发表一篇重要论文《简单机械理论》,提出摩擦力和作用于物体表面上的正压力成正比的关系。他证明地球磁场对磁铁的作用,相当于与偏差角的正弦成正比的一力偶,并据此推断出,在解释磁作用时需要使用吸引力和排斥力作为对抗涡流。他建立磁体在磁场中的运动方程式,并根据短的振荡时间推导出磁矩。他发明扭力平衡法以测量电的排斥力,并把结果推广到实验上更困难的排斥力情况中,推导出表示两静止点电荷间相互作用力的定律,即著名的库仑定律。他还致力于导体上电荷分布的研究,证明导体的全部电荷都集中在表面上。

库仑的著作还有《金属力和弹性的理论和实验研究》、《电气与磁性》等。

库仑是18世纪与英国卡文迪许齐名的物理学家,后人为了纪念他,把电量单位定为“库仑”,简称“库”。

伏打发明电池伏打(1745~1827)伏打,意大利物理学家,出生于科莫。

伏打在科学上的主要贡献是1799年发明了“伏打电池”。这种电池由用盐水浸泡的铜片和锌片相间堆集组成,用导线把两端连接起来,导线中就形成稳定的电流。

伏打电池的发明改变了电学的面貌,它使科学家有了强大的电流源,以前摩擦起电的机构和莱顿电瓶电容器虽可产生电位差,但电流很小。

伏打在发明电池后又发明了验电器、储电器和起电盘,这些发明在电学上起了很大作用。人们为了纪念他,把电动势、电位差、电压的单位定为“伏特”,简称“伏”。电池的发明

伏打像往常一样来到图书馆,他像淘金者一样,翻阅着一本本书。突然,一本德国科学家的实验报告汇编引起了他的注意。他发现这本书记载了一个叫兹路扎的科学家在1750年左右做的一个实验。

兹路扎在实验报告中说,把两块不同的金属分别夹在舌尖的上下,然后用一根金属导线连接两块金属板,此时,舌头上会有一种麻木的感觉。如果用两块相同的金属片夹在舌尖的上下,就没有这种感觉。