书城科普人类的创举(科学知识大课堂)
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第29章 科学实验(6)

电果真能够传输吗?为了检验自己的判断,格雷又做了一个实验。他把一根细棒插入玻璃管顶端的软木塞里,细棒的另一端扎上一个象牙球。然后开始摩擦玻璃管,在摩擦玻璃管时不让手碰到软木塞、细棒和象牙球,可是当摩擦一段时间后,桌子的羽毛竟被吸附到象牙球上了。这样看来,电可以传输,这是毫无疑问的。

电可以传输,那么它到底能够传输多远呢?这是接下来要解决的问题。格雷又把象牙球吊在一条绳索上,绳索的另一端拴在玻璃管的软木塞,然后用一些丝线把绳索悬挂在工作室顶篷的钉子上,当他再摩擦玻璃管时,象牙球仍然能够吸引羽毛。于是他加长绳索的长度,不断地重复着他的实验。直到绳子的长度达到30.48米时,象牙球仍然能吸引羽毛。他用越来越长的绳索继续实验,最后丝线由于承受不住绳子的重量都断了,但对羽毛的吸引力是同样的。格雷于是又想到会不会是象牙球有什么特殊的魔力,他把象牙球去掉,换上其他的东西,先把房里的火铲拴上,然后再换上火钳、拨火用的铁棍、水壶等,结果都同样能吸引轻小的羽毛。哇!电的威力真大,能传输到这么远的距离,那么,它到底能传输多远,格雷决心要弄个明白。

为了能拴住更长的绳索,格雷改用粗铜丝代替丝线把绳索县挂到天棚上,然后继续摩擦他的玻璃管。没想到,无论他怎样长时间地摩擦玻璃管,象牙球也不能吸引羽毛,甚至玻璃管本身也不再吸引羽毛了。这表明,玻璃管上的电没有通过绳索传到小球上,格雷猜想,可能电是通过铜丝和铁钉跑掉了。进一步实验后,他发现,电通过金属比通过丝绸时更易于传导,因此,他把电容易通过的物体(如金属)叫做导体,而把电难以通过的物体(如蚕丝)叫做非导体。导体的发现是电学发展中的一次质的飞跃,它使静止的电从一个物体传到另一个物体上,使电学的发展迈出了非常重要的一步。

格雷为了检验这一理论,做了一个非常有趣的实验。他用结实的绳子将一个小孩吊在屋子的顶篷上,孩子的下面放一些羽毛,用摩擦过的玻璃管接触孩子的胳膊,不一会儿,羽毛就吸附在孩子手上和身上,这说明了人体也是导电体。

莱顿瓶的发明

在电学的发展中,极其重要的一步是莱顿瓶的发明。莱顿瓶是德国的克莱斯特和荷兰物理学家穆欣布罗克于1745~1746年发明的。

电是看不见摸不着的东西,怎样才能将它保存起来呢?18世纪40年代和50年代初,起电装置的改善和大气电现象的研究,吸引了物理学家们的广泛兴趣。1745年,普鲁士的克莱斯特利用导线将摩擦所产生的电荷引向装有铁钉的玻璃瓶,当他用手触及铁钉时,受到猛烈的一击。这一事实给了科学家们很大的启发,它告诉人们:装在玻璃瓶中可以储存电!

与此同时,荷兰莱顿大学的物理学教授穆欣布罗克在和助手进行电学实验时,看到好不容易聚集起来的电,很快就在空气中消失,感到很可惜,他想寻找一种保存电的方法。有一天,他将一根枪管悬挂在空中,用起电机和枪管连接上,然后再从枪管中引出一根铜线,将它浸入盛有水的玻璃瓶中,他让助手拿着玻璃瓶,自己在一旁使劲地摇着起电机。他的助手用一只手拿着玻璃瓶,另一只手不留神碰到了枪管上,他猛烈感到一次强烈的电击,大喊了一声,几乎要跳了起来,手里的玻璃瓶也差一点儿掉到地上。穆欣布罗克与助手换了一下,让助手去摇起电机,自己一只手拿瓶子,另一只手去碰枪管,当然,他也不会例外,也遭到了同样的电击。

事情发生以后,穆欣布罗克在给一位法国朋友的信中报告了这个可怕的偶然发现。他说:“我愿意告诉您一个新的、十分可怕的实验,希望你自己千万不要去做。当我把容器放在左手上,试图用右手从充电的铁柱上引出火花时,突然,我的手受到了一下力量很大的打击,使我的全身都震动了,手臂和身体产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话,我以为我命休矣。”他还向朋友表示,就是把整个法兰西给他,也不愿再受到这样一次可怕的打击。看来这种打击是很恐怖的。

尽管这个实验是十分可怕的,但却使穆欣布罗克得到了一种存储电荷的方法。把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来,后来,人们把这个能储存电的瓶子称为“莱顿瓶”,这个实验称做“莱顿瓶实验”。“莱顿瓶”是因莱顿城而得名的。莱顿瓶发明后,人们在使用的过程中逐步地对它进行修改,使其功能及外形设计都日渐完好。凡经修改后的莱顿瓶内外表面都被贴上金属箔,瓶内装了水,瓶盖上插一个金属杆,杆上端附一个金属小球,下端用一金属链子同内表面连接起来。

莱顿瓶的发明,不仅为储存电提供了一种有效的方法,也为进一步开展静电实验创造了良好的条件。

揭开雷电之谜

电震现象的发现,轰动一时,这大大地增加了人们对莱顿瓶的关注。莱顿瓶能产生强烈的电击和火花,也引起了王公贵族和一般市民的兴趣,他们喜欢观看这种新奇的玩意儿,并乐于亲身体验一下电击的滋味。所以在当时的欧洲,时兴表演电学实验,不仅在实验室、集会厅表演,而且还在街头表演;有些人竟以此为业,带着摩擦起电机和莱顿瓶以及一些简单的器具,到处表演。穆欣布罗克的警告起到了相反的作用,人们在更大规模地重复着这种实验,简直成了娱乐游戏。

有人用莱顿瓶做火花放电杀老鼠的表演,有人用它来点酒精和火药。其中规模最大、最壮观的一次示范表演是法国人施莱特在巴黎圣母院前做的。施莱特邀请了法国路易十五的皇室成员临场观看表演。他调来了700个修道士,让这700名修道士手拉着手排成长长的一队,队列从头到尾长达900英尺,大约有275米,可见,队伍是何等的壮观。施莱特从容地指挥着这700名修道士,开始了他的表演。他让排头的一位修道士用手拿着莱顿瓶,排尾的修道士手握莱顿瓶的引线,接着他让莱顿瓶放电,就在这一瞬间,700个修道士因受电击几乎同时跳起来,场面看起来非常滑稽可笑,在场的人无不为之目瞪口呆。施莱特以令人信服的证据向人们演示了电的巨大威力。

18世纪欧洲盛行的这种电震表演,为电学知识的普及铺平了道路,它使许多人开始对电有了初步的了解。美国的富兰克林就是看到了欧洲人到美洲街头上作这种表演而走上电学研究的道路的。

莱顿瓶的发明使电获得了更大的名声。欧洲进行电实验的消息越过重洋,传到了美国,传到了费城。

1746年6月的一天,美国费城的最繁华的中心街道旁挤满了围观的人群。人们正在观看来自苏格兰的史宾斯博士表演“奇怪的戏法”——一种电的实验。其实,史宾斯的表演极为简单,他将利用摩擦产生的电通过导线引入莱顿瓶,然后再把瓶内的电用导线引出来,使导线短路而产生电火花。当人们看到一股股长长的火花出现时,无不感到惊叹。挤在人群中间的本杰明·富兰克林也惊讶地看着这一切。“嘿!这可真是个了不起的发明!”兴趣广泛、精力充沛的富兰克林当时已有40岁,他积极地想弄一个莱顿瓶来,也研究一下它的功效。

1746年,英国伦敦的一个商人、皇家学会会员考林森通过邮寄向美国费城的本杰明·富兰克林赠送了一只莱顿瓶,并在信中向他介绍了使用方法。富兰克林对此极有兴趣,他先对莱顿瓶的功效和放电现象进行了深入分析,等把一切都搞清楚了之后,便开始利用这个神奇的瓶子开始进行一系列的静电实验。

有一天,他在家里研究起莱顿瓶来,他把摩擦起电机产生的电用导线引入莱顿瓶,然后开始让莱顿瓶放电,用放电时产生的电火花来杀伤动物。由于杀伤动物需要很大的电力,所以得不断地摇动摩擦起电机,他自己手忙脚乱地操作这一系列的动作,于是他对站在一旁观看的夫人说:“来,你来替我摇这机器。”富兰克林夫人接过摩擦起电机的手柄开始摇起来,摇着摇着,一不小心手将莱顿瓶碰翻,一股强大的火花随之闪现出来,富兰克林夫人当场被击倒在地。这一重重的电击险些夺走夫人的性命,她整整在床上躺了一周。富兰克林在后悔、后怕的同时又联想到了一种现象,他想到天空中打雷时的闪电,当暴风雨来临的时候,伴着轰隆隆的雷声的闪电会将树木击倒,这威力也是够大的了。那么,莱顿瓶中的险些夺走夫人生命的电会不会同天上的雷电是一样的呢?嗯,太像了!为了解开这一个疑团,他决定做一个大胆的尝试。

本杰明·富兰克林出生于波斯顿的一个贫苦家庭里,他的父亲经营蜡烛制造以维持家中众多人口的生活。富兰克林从小喜欢读书,但是他只读了两年书,12岁时便到他的同母异父的哥哥詹姆士的印刷所当学徒。渴求知识的愿望使他选择了自学成才的道路。他充分利用印刷房和书店的联系这一条件,如饥似渴地阅读了大量书籍。1723年,他因与哥哥在工作中发生争执而到费城当印刷工。在费城他与朋友们组成了“共读社”进行自学,并将其发展为一个教育青年的学院(宾夕法尼亚大学前身),后来他任该校董事40余年,1731年,他倡议并建成了北美第一个图书馆,并兼任许多社会公职。本杰明·富兰克林是一个杰出的政治家和科学家。

在富兰克林的时代,人们对电的了解还是不够多,对天上的雷电更是迷惑不解,他们惧怕雷电,少数人认为雷电是“毒气爆炸”,多数人则认为是“上帝之火”。人们望着阴云密布的天空中,闪闪发光的雷电,心中充满了恐怖,充满了疑惑。那么,雷电究竟是什么呢?它那么高高在上地发生在天空中,人们够不着,也摸不到,要想研究它,就要把它引到地上来。这可太难了,多少人连想都不敢想。

莱顿瓶现象使富兰克林自然地想到天空中的闪电是否具有电的本质。他决心弄清楚雷电的电与莱顿瓶中的电究竟有什么区别。富兰克林整日整夜地想着他的宏伟计划。可是,怎么能把天电引到地上呢?他坐在屋前的旷野边,望着高高的苍穹,却想不出一个办法来。突然,他看见远处一群孩子正在你追我赶地放风筝,一个个风筝在高高的天空中飘来飘去,一个比一个飞得高,孩子们正在比试着……有了,风筝!就是它,它可以把天上的雷电引下来。

富兰克林开始着手制作他的风筝。他和儿子一起到郊外拾来一些杉树枝,风筝就用杉树枝做骨架,扎成菱形,然后蒙上一层不易湿透的绸子,风筝的上端装了一根一英尺长的尖铁丝,把它和牵风筝的亚麻线系在一起,亚麻线的下端接在一段不长的丝绳上,以便将风筝拉住,丝绳的末端拴一把金属钥匙。

1752年7月,在费城下大雷雨的一天,46岁的富兰克林领着儿子急急忙忙来到牧场,把准备好的风筝使劲地抛向了天空,口中喊道:“飞吧!”儿子威廉手里拿着线团使足了劲往前跑,风筝在大雨倾盆的空中张开了。本杰明·富兰克林从儿子手中接过了风筝线说:“给我,你到那边避避雨。”说着,雨却越下越大。“咱们一起到那边棚子檐下观察吧。”威廉拉着爸爸一起到附近的一所棚子的檐下进行观测。他们用手紧紧握住风筝下边的丝绳,怕它被雨点打湿了,因为丝绳牵着风筝。父子俩在屋檐下紧紧地盯着暴风雨中的风筝,不一会儿,风筝飞入了一块雷云之中,闪电在它周围闪烁,雷声隆隆,但没发生任何情况。威廉焦急地望着爸爸:“怕是这种办法不灵吧?爸爸。”富兰克林看看儿子,沉着地回答说:“再等等,咱们先不要放弃,说不定一会儿就会有奇迹发生。”一会儿,闪电又出现了,“啪”,闪电击中了风筝框上的金属线。突然,亚麻线上有几处散开的纤维直竖了起来,而且能够被手指吸引,是一种看不见的力量使它这样。富兰克林用食指靠近钥匙圈,骤然间,一些电火花从他的食指上闪过,与摩擦生电时产生的电火花一样。他抱起儿子大喊到:“电,天电捕捉到了!”富兰克林被这巨大的兴奋激励着,竟然忘记了这猛烈的电击所带来的身体上的不适。很幸运,闪电很弱,他没有受到什么伤害。

天电就这样被勇敢执著的父子给引下来了。这个实验非常清楚地证明了天空中的闪电就是一种放电现象,只不过其规模更大,更有声势罢了。

天电终于引下来了,但是富兰克林并没有就此善罢甘休。没过几天,又是一个雷雨交加的傍晚,他带着儿子,拿着事先准备好的莱顿瓶和他的风筝来到郊外,和上次一样,他们还要继续实验,不过,这次不是尝试,而是要把天电引到莱顿瓶中,拿回去研究它。当“劈啪”一声响过后,一朵蓝色的火花从铁钥匙头上跳了出来。他的手臂一阵发麻,“快,把莱顿瓶拿来!”威廉迅速地递过来事先准备好的莱顿瓶,他把风筝上的钥匙串和莱顿瓶连接起来。他惊喜地看到莱顿瓶充电了。电在瓶里积蓄起来。他们高兴地把它拿回家告诉夫人:“这是天上的电啊,我要用它来做实验,看看它和地上的电有什么不同。”