電氣時代來臨（中）

1827年，德國物理學家歐姆（1789-1854）發現，電荷在導體中流動遵從一種十分簡單的規律：電流和電壓成正比。電壓和電流之間的比例系數稱作電阻，它表示導體對電荷流動所呈現的“阻力”。這是電學中極為重要的另一個基本定律，依據它，人們可以通過改變電阻的辦法精確地控制電流的大小，方便地調節、分配流過導體的電流，就像擰閥門調節自來水流量一樣。

然而這一定律的發現過程并不簡單。當歐姆著手研究的時候，習慣性地采用伏打電池作為電源，這種化學電源產生的電壓不夠穩定，還會受到溫度的影響，使實驗數據似乎無規律可循。后來人們建議他采用德國物理學家塞貝克（1780-1831）在1822年發明的“熱電偶”作為電源。“熱電偶”是由兩種不同金屬材料做成的裝置，利用熱產生電。兩種不同金屬條帶的一端固結在一起加熱，在另外兩個冷的端點之間就會產生電壓，電壓的數值與冷熱兩端的溫度差成正比，只要冷熱兩端溫度保持恒定，電壓就保持不變。1826年，歐姆用銅和金屬鉍做成一個“熱電偶”，銅和鉍相接的一端放在沸水里，另外兩個端點插在冰水里，溫度差總保持在100℃（當時人們已經知道沸騰的水和冰水混合物都會保持各自恒定不變的溫度）。他在銅和鉍的冷端點之間接入粗細均勻但長短不同的銅絲，仔細觀察電流的變化。他改進了不久前剛剛發明的磁針電流計，用庫侖扭秤測量磁針的轉角，使電流測量更加精確。

1827年，歐姆出版了《伽伐尼電流的數學研究》一書，闡述了他發現的導體中電流與電壓成正比的規律，并且詳細論述了金屬導線電阻研究的結果：粗細均勻的導線電阻與長度成正比，與截面積成反比。歐姆的發現奠定了電路研究的基礎，但當時德國學術界不承認他的成果，拒絕發表他的研究報告，權威們認為“電學中沒有如此簡單的規律，而且歐姆只不過是一名中學教員”。

直到1841年，英國皇家學會在多次反復研究歐姆的實驗后授予他考普利獎章，歐姆的工作才引起德國學術界的重視。到1852年，歐姆成為德國慕尼黑大學教授。兩年之后，他離開了人世。人們為了紀念他，把電阻的單位定為“歐姆”。“歐姆”已經成為今天電學中使用頻率最高的詞匯之一，然而人們卻很少想到它背后的發人深思的故事。

1831年，電磁學研究取得了突破性進展，英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象，為人類找到了使機械能直接轉化為電能的有效途徑。

法拉第出生在一個貧困但溫馨的家庭，父母有10個孩子。13歲時，法拉第就到印刷廠當了裝訂工。好學的法拉第通過三種途徑在艱難的環境里學習：一是努力閱讀他裝訂的書；二是加入當時一位熱心傳播知識的人組織的“倫敦哲學研究會”，這位組織者經常請人在自己家中介紹人們感興趣的新知識，允許研究會成員閱讀自己的藏書；三是聽英國皇家學會定期為公眾講述科學的講座。通過這些途徑，年輕的法拉第走上了與眾不同的科學探索之路。

1812年，法拉第成為著名化學家戴維（1778-1829）的助手，主要從事化學方面的研究工作；1821年，他成為英國皇家學會實驗室主任。

從1820年起，歐洲掀起了研究電磁現象的熱潮，出現了各種各樣的理論。1821年，《英國哲學學報》的編輯邀法拉第寫一篇關于電磁學研究的述評，使他轉而研究這個新的領域。他重復了奧斯特、安培以及其他物理學家做過的許多實驗，在仔細分析這些實驗結果后，他堅信電和磁之間還有更深刻的聯系。他認為，不僅電流能夠產生磁，磁也會產生電，他希望用自己的實驗證實這種想法。在1821年之后的10年間，法拉第總是在實驗室里用電池、線圈、磁鐵和磁針，反復進行各種各樣他能夠想出來的實驗，他希望借助磁鐵的磁性或電流產生的磁性，在一個與電池不相連的線圈里產生電流，結果一無所獲。然而與眾不同的執著和耐心，使他毫不氣餒地進行著單調枯燥的實驗。

1831年8月29日，法拉第的實驗終于取得突破性進展。他在一個軟鐵做成的環形鐵芯上繞了兩個線圈，第一個線圈與伏打電池相連，讓電流通過；第二個線圈的一端延伸出一段距離，再返回來和另一端連在一起（中間沒有電池），在延伸的導線下方放一個可以自由轉動的磁針，它距離鐵心大約1米遠，這樣的距離可使磁針不受第一個線圈電流的影響，只探測第二個線圈里的電流。當接通第一個線圈的電流時，法拉第看到磁針突然劇烈擺動，然后平靜下來回歸原位。當斷開第一個線圈的電流時，磁針再次劇烈擺動，然后平靜復歸原位。法拉第猛然意識到，磁針的擺動是由第一個線圈中電流的變化引起的，不同于當年奧斯特發現電產生磁的情況，法拉第發現的是磁力變化引起電流。

緊接著，法拉第又進行了三個實驗，他發現磁鐵插入或拔出線圈的時候，線圈里也會出現電流；如果線圈繞在一段鐵棍上，鐵棍兩端分別與兩個磁鐵相接，當這兩個磁鐵的另一端合攏或離開時，線圈中會出現電流；當一個銅盤在磁鐵的兩個磁極之間旋轉時，銅盤上也會產生電流，實際上，這就是最早的發電機。

1831年11月24日，法拉第在向英國皇家學會提交的報告中，把這種磁產生電的現象稱為“電磁感應”，并且概括了可以產生感應電流的五種途徑：電流變化、磁場變化、流過恒定電流的導線空間位置變化、磁鐵運動以及使導體在磁場中運動。實際上，法拉第已經告訴了人們發電的五種方法，其中第五種已經成為今天全世界共同采用的發電方式，目前人們使用的電主要用這種方法得到。

法拉第一生淡泊名利，執著地探尋大自然的奧秘，為人類進入電氣時代鋪就了最重要的一塊基石。他謝絕了英國王室授予的“爵士”頭銜，謝絕了英國科學界希望他出任皇家學會主席的美意，只為自己保留兩個職位：一個是皇家學會實驗室主任，另一個是負責為青少年安排科學講座的秘書。

1865年，英國物理學家麥克斯韋（1831-1879）發現，在庫侖、奧斯特、安培、歐姆和法拉第分別發現的規律之間，有一種深刻的內在聯系。他把這些定律歸納成一組統一的數學方程式，從這組方程式中解出一個令人驚異的結果：變化的磁場會產生變化的電場，變化的電場又會產生變化的磁場，交替變化的電磁場以光的速度向外傳播，成為電磁波；這種波的傳播方式與聲波不同，不需要物質作為媒介，可以在真空中傳播。麥克斯韋從理論上預言了電磁波的存在，而且認為光本身就是一種電磁波。他在自己的方程式中，算出電磁波傳播的速度應為每秒31.1萬千米，與物理學家裴索（1819-1896）于1849年測得的光速每秒31.5萬千米非常接近。

從伽利略時代開始，科學家即依靠實驗發現自然規律，電磁學發展的早期，完全遵循著這條道路。隨著數學的進展，科學家開始以實驗發現的規律為依據，運用新的數學方法，進行高度抽象的邏輯推理探尋自然奧秘，一批精通數學的理論物理學家應運而生，這標志著人類探究自然的歷程達到了一個新的高度。

1888年，德國物理學家赫茲（1857-1894）用實驗證明電磁波的存在，驗證了麥克斯韋的理論。赫茲設計了一個十分巧妙的實驗，用充電的萊頓瓶通過火花放電，激發金屬導體組成的電路產生電流振蕩；在幾米之外放置接收這種振蕩信號的探測器。如果電磁波真的存在，那么當接收器的固有頻率和電流振蕩的頻率一致時，振蕩電路激發的電磁波就會在探測器上感應高電壓，從而在它的間隙上產生火花放電。然而，無數次實驗都失敗了，赫茲總也看不到探測器上的電火花。

有一天，新婚的妻子拉著疲憊不堪的赫茲離開實驗室到花園散步，心不在焉的赫茲看見空中一群飛來飛去的小蟲，問：“這是什么？”妻子說：“它們是螢火蟲。”他又問：“為什么看不見它們發光？”妻子說：“白天不是也看不見星星嗎？”赫茲如夢初醒，徑直跑回實驗室，拉上厚厚的窗簾，重新開始實驗。果然，在昏暗的背景下，他看到了探測器上微弱的電火花。

無數個夜晚，赫茲一次又一次地進行實驗，在振蕩電路和探測器之間放置各種物體，觀察它們對電磁波傳播的影響。他觀測到金屬平板使電磁波發生反射，絕緣體大棱鏡使電磁波發生折射，金屬凹面鏡使電磁波發生聚焦。他又根據振蕩電路的頻率和測量出的電磁波波長，計算出電磁波傳播的速度，與當時人們測得的光速相同。

1888年1月，赫茲發表了他的最終研究結果。遺憾的是，此時麥克斯韋已經去世9年，他沒有見到自己預言的電磁波。

從馬申布洛克到赫茲，科學家以各自不同的方式探索電和磁的奧秘，發明家以豐富的想象力，把新的科學發現變成前所未有的技術。電從科學家的實驗室一步一步走進充滿生機的世界。

伏打電池出現后的第四年，人們發明了用電傳輸信息的方法。

1804年，西班牙發明家薩爾瓦發明了最早的電報。他用27條長長的電線傳送簡短的信函，這些電線的一端浸泡在酸水里，其中有一條導線的另一端固定在電池的一極，其余26條線分別代表26個拉丁字母，傳送字母時，它們與電池的另一極相連。當某個線頭與電池相連時，另一端的線頭由于發生了電化學反應，有氣體在線頭析出，因此會在酸水里冒泡。薩爾瓦就是利用這種辦法，把文字傳送到了1000米之外的地方。

1807年，英國化學家戴維發明了電解技術，他利用電池產生的電流使溶液中的物質分解，使構成化合物的成分從溶液中分離。用這種方法，戴維得到了在自然界中很難找到的金屬鈉和鉀。這種用電流“拆開”物質的辦法非常有用，它使人們能夠用簡便的方法，把宇宙中眾多的化合物，還原成構成它們的組分。今天人們使用的金屬鋁，就是電解熔融的三氧化二鋁礦石得到的。如果有一天人類到達遙遠的星球時，大可不必自帶氧氣，只要在那里找到水，用電解水的方法就可得到維系生命所必需的氧。

差不多與此同時，戴維還發明了電鍍技術，用電學方法使一種金屬均勻牢固地附著在另一種金屬表面。

電鍍技術在本質上是借助電流在液體中“搬運”物質的技術。戴維在溶液中放置兩種不同的金屬，分別與電池的兩極相連，電流通過溶液時，一種金屬會變成溶液中的離子轉移到另一種金屬表面析出，并牢牢地固結在另一種金屬的表面。通過控制電流的大小，可以精確控制鍍層的厚度。利用它，可以為鋼鐵表面鍍金、鍍銀、鍍銅、鍍鎳或鍍鉻。這樣，不僅可以使鋼鐵制造的器物表面光潔美觀，避免銹蝕，而且還可以改變它的表面硬度，使其更加耐磨。利用電鍍技術，人們還可以在溶液中靜悄悄地“鑄造”出精美奇特的藝術品和機器零件。

1808年，人類開始探索用電照明的方法。這一年，戴維發明了66c29fc6f66ea9ee08cb13d5155da9bab529779cf3d800706268c24178e7a67c最早的電弧燈。他把幾十個伏打電池串聯在一起，構成可以產生高電壓的組合電池。電池的兩極，各接一根石墨做成的碳棒，當這兩根碳棒的尖端相互接近到一定距離時，在間隙處就會突然出現明亮耀眼的弧光。這是由于空氣在電池的高電壓作用下分解成導電的離子，使絕緣的間隙成為電流的通路，伴隨著通過間隙的強大電流，電弧產生高溫，就會使更多的空氣電離，發出明亮的光。不同于稍縱即逝的靜電火花，弧光能夠持續相當長一段時間，它的空間位置十分穩定，可以照亮一大片地方。

弧光是一種可以控制、連續發生的微型閃電，它是人類最早制造的不用燃料的光源。

然而，弧光燈點燃之后，電弧迅速燒蝕碳棒，使碳棒間隙不斷加大，電池的電壓不足以維持放電，不久弧光就會熄滅，而戴維對此無能為力。后來，英國發明家施泰特用一個發條驅動鐘表機構推動其中一根碳棒，在發出弧光時緩慢向另一根碳棒靠近，使它們在燒蝕過程中保持間距不變，以維持長時間發光。不久，他又用一根銅絲做成的彈簧直接推動碳棒，利用電弧發出的熱量使彈簧膨脹產生位移，自動補償碳棒燒蝕產生的空間距離變化，使弧光保持穩定。

經過發明家的改進，弧光燈終于出現在英國倫敦和法國巴黎的街道，成為當時的動人景觀。

1832年，法國人皮克希（1808-1835）發明了可以連續產生電流的最早的發電機，他是第一個賦予法拉第發現的電磁感應現象以實用價值的人。1835年，美國人達文波特（1802-1851）發明了實用的電動機。

有了電動機，人們可以安然自如地使用自然界提供的動力，不必永遠守著喧鬧而且冒著黑煙的蒸汽機。這種新的動力機械啟停方便，操縱靈活，可以同各種裝置配合在一起構成多種多樣的新機器。

電動機的發明，使人們遠遠地望見了電氣時代的曙光。（未完待續）