電氣時代來臨（上）

19世紀，科學家發現了電和磁的聯系，開辟了駕馭能量、傳輸信息的新途徑。人類剛剛步入工業社會，又匆匆奔向一個新的時代——電氣時代。

當發明家們和工程師們在拓展蒸汽動力的道路上轟轟烈烈前進的時候，一些鮮為人知的學者在實驗室里默默地研究著另一類現象——電。這種研究沒有任何功利目的，因為沒有人知道探索它會有什么結果，更不能預測電對人類有什么實用價值。這些學者研究電純粹是出于好奇心，希望了解自然。

早在2500年前，古希臘人已經注意到摩擦琥珀會產生電，能夠吸附微小的物體。干燥的物體相互摩擦很容易帶電，電會在不經意中產生，也很容易消失；偶爾會在空氣中形成噼啪作響的小火花，但稍縱即逝。直到16世紀，人們關于電的知識僅此而已。

科學家開始研究電，第一件事就是想辦法獲得足夠多可隨意產生的電。曾經表演過著名的馬德堡半球實驗的德國科學家蓋里克，于1660年發明了第一臺能產生大量電荷的摩擦起電機。他設計的這種機器，有帶手柄的輪子，搖動手柄，輪子即帶動玻璃盤或硫磺球快速旋轉；當它們與物體摩擦時，就會產生電荷；轉動速度越快，摩擦時間越長，產生電荷就越多。這些電荷可以通過與它們接觸的金屬絲，由一端傳到另一端，有時會在空氣中產生爆炸般的火花。

這種起電機能夠方便地產生電，但是不能貯存電；一旦停止轉動，玻璃盤或硫磺球上的電，就會通過空氣或沿其表面消失得一干二凈。

一件偶然的事，使人們找到了貯存電的簡單辦法。1745年的一天，荷蘭萊頓大學教授馬申布洛克（1692-1761）用起電機使裝在玻璃瓶里的水帶電，他把細長的金屬鏈一端垂入瓶中，另一端與起電機相連，自己則用一只手握著玻璃瓶，另一只手迅速搖動起電機的轉輪。當他正在端詳帶電的水有什么變化時，剛剛松開搖把的手無意中碰到了金屬鏈，突然，他的身體受到強烈的電擊（事后馬申布洛克說，那次我差點完蛋）。平靜之后，馬申布洛克馬上想到，是裝著水的瓶子里的電擊了他，因為那時瓶子早已離開了起電機。這一意外發現令他欣喜若狂，原來，電可以像水一樣貯存。

隨后，馬申布洛克用各式各樣的瓶子貯存電，發現不一定要裝水，只要在干燥的玻璃瓶內外壁各貼一層相互絕緣的金屬箔，內層與起電機相連，外層與大地相連，起電機產生的電就會貯存在瓶子里。瓶子越大，玻璃壁越薄，貯存的電就越多。這種裝有電的瓶子，其重vvtHxbZtV/x6su6jEn57736ermxwGHT/7UYQr8KbXl0=量沒有任何變化，也看不見里面有任何物質，可以隨意搬來搬去。但是，只要在內外兩層金屬箔上各連出一條金屬絲，使它們的尖端相互靠近，就會在空氣中產生啪啪的火花。人們稱這種能貯存電的瓶子為“萊頓瓶”。

當時，一些聰明的歐洲人為萊頓瓶這種能存電的瓶子找到了兩個奇特的用途：一些人利用它幫助鄉村農戶屠宰牲畜，他們先用萊頓瓶放電擊昏牲畜，再令它們安靜地結束生命；另一些人則用它惡作劇，讓人在毫無防備的情況下觸電出洋相。有個名叫諾雷的神父，曾在法國皇帝路易十五面前開過一個大玩笑，他讓700名修士手拉著手站成一圈，第一個修士的手觸摸萊頓瓶的一條引線，最末的那個修士觸摸另一條引線，使700人在一瞬間同時遭受電擊，人們驚恐萬狀，長袍飛舞，令皇帝樂不可支。后來人們知道，電以光的速度傳輸，而修士撒開手至少在0.1秒鐘以后，因而萊頓瓶通過人體放電，無人能夠幸免。

1746年，美國政治家、發明家富蘭克林（1706-1790）在得到一只萊頓瓶后開始研究電。這位沒有上過大學也沒有導師指點的學者，以自己的方式探索自然。當夜幕降臨時，他注意到萊頓瓶引起的火花放電，在空氣間隙出現飄忽不定的閃亮通道，通道上的閃光和啪啪的聲音同時出現，很像是天空閃電的微縮景觀。他突然產生一種聯想：天上的雷電和人們用摩擦產生的電會不會是一回事？

1752年7月，富蘭克林做了一個冒險的實驗——在雷雨將至時，將一個風箏放飛天空，風箏頂上系著一根細鐵絲，風箏的細線下端系著一串金屬鑰匙；再用一段干燥的繩子，一端系在鑰匙上，另一端握在手上（富蘭克林知道，被雨水沾濕的風箏線會導電，干燥的繩子可以阻斷電流通路，使自己不受傷害）。當雷電發生的時候，富蘭克林看見鑰匙的尖端出現了時斷時續的火花，他用萊頓瓶把鑰匙上產生的電貯存起來認真研究，發現它與起電機產生的電沒有什么不同。于是他對雷電的成因解釋說：天空中云和云相互摩擦或云與地面相互摩擦產生了大量的電，這些電釋放出來的時候，就產生了雷電。由于云層的空間尺度和運動規模很大，產生的電比人們在實驗室中用起電機產生的電量多得多，所以天空中的雷電才顯得格外神奇壯觀，它與人們常見的摩擦起電在本質上是一樣的。

1747年，富蘭克林用萊頓瓶研究不同形狀的金屬物體產生的電火花有何不同，結果發現尖端最容易放電，球形最不容易出現火花。當他發現閃電與摩擦起電是同一種現象時，發明家獨有的思維方式使他想到，可以利用建筑物頂上指向天空的金屬針，通過尖端放電，把云中貯存的電引入地下，以避免建筑物遭受雷擊。1760年，富蘭克林給美國費城的一座高樓裝上了第一枚避雷針，20年之后，費城已經裝有數百枚避雷針。這是人類在探索電的歷程中做出的第一件有實用價值的發明。這項發明很快傳到英國，由于富蘭克林是堅決反對英國殖民統治、領導美國獨立建國的重要人物，英國當局出于對他的仇恨，曾經頒布命令，英國的建筑物不許采用富蘭克林發明的尖端避雷針，如果要用，也只能用球形。后來一些英國建筑物多次遭雷擊，當局便悄悄取消了這個禁令。直到19世紀后期，英國的許多教堂還是不愿意安裝避雷針，他們認為雷電是上帝在懲罰有罪的人，教堂不會遭受雷擊。有位拿不定主意的神父曾經私下詢問發明家愛迪生（1847-1931），教堂不裝避雷針是不是可以免遭雷擊？愛迪生說，上帝有時候也會大意。

到18世紀后期，通過實驗定量研究自然現象，已經成為許多學者的習慣，這種源于16世紀的研究方法，開始由力學逐漸擴展到其他領域。1785年，法國科學家庫侖（1736-1806），發現了電荷之間相互作用力的規律。

很久以前，人們已經知道電荷只有兩種，同種電荷互相排斥，不同電荷互相吸引。但是這種相互排斥或吸引的力非常小，難以測量，2000多年來人們始終無法了解這種力的規律。庫侖是一位細心窺探自然奧秘的人，他注意到用古老的紡車把棉花纖維捻成細紗的時候，如果紗線斷頭，絞在一起的纖維會迅速松開反卷回去，絞合力越大，反卷的圈數就越多。這一司空見慣的現象，啟發他想到利用有彈性的細小纖維扭轉變形，測量微小的力。

1781年，庫侖發明了扭秤。不過，實用的扭秤不再采用難以控制的棉紗，而是一根垂直懸吊的細金屬絲，下面系著絕緣的水平橫桿，橫桿兩端放置帶電小球。水平方向的靜電力使懸絲扭轉，在懸絲上方有一面固定的小鏡子，一束光投射在鏡面上。鏡子和懸絲一起轉動時，反射的光點會產生很顯著的偏移，從而測出微小的轉角。根據扭轉的角度，可以精確測量這種難以感知的力的大小，其靈敏度遠遠超過彈簧秤和使用砝碼的天平。

近代科學誕生之后，許多科學家為了探究新的領域，總要先創造出新的實驗裝置和測量儀器，因此科學家常常又是發明家。

庫侖使用扭秤精確測量各種情況下力的變化，發現了它們遵循的規律。這種相互吸引或排斥的力，與兩個小球所帶電量的乘積成正比，與兩個小球之間距離的平方成反比，它的數學形式很像牛頓在1687年發現的萬有引力定律。不同的是，牛頓出于理論上的推斷，庫侖則通過精細的測量歸納出這一定律。

這是科學家在電學領域發現的第一個基本定律，直到今天，人們還沒有發現它與事實不符的地方。為了紀念這位探索電的先驅，人們把電量的單位稱為“庫侖”。

不久，意大利博洛尼亞大學解剖實驗室發生的一件怪事，悄悄地改變了電學研究的方向。實驗室工作人員在無意中用手術刀觸碰放在金屬工作臺上的一只解剖過的青蛙時，發現早已死去的青蛙，其肌肉會像青蛙活著時一樣收縮顫動。解剖學家伽伐尼（1737-1798）把青蛙肢解后仔細研究，結果發現，只要有兩種不同金屬制成的物體同時觸及青蛙肌肉不同的部位，就會觀察到青蛙肌肉的收縮。他認為這是一種神秘的“生命元素”發出了電流，就像人們早已知道的一些魚會自己發出電一樣（例如電鰻和電鰩）。1791年，伽伐尼發表著作《論肌肉運動產生的電荷》，人們把這種電流稱為“伽伐尼電流”。

其時，意大利維尼亞大學物理學教授伏打（1745-1827）正在研究電學，當他知道這個消息后，重復了伽伐尼的實驗，并對此提出了不同的解釋。他認為是青蛙體內的某些物質在水的參與下，與兩種金屬發生了化學反應，在金屬片之間產生了能夠推動電荷運動的力量（后來人們把這種力量稱為“電壓”），流動的電荷刺激了青蛙的神經，引起肌肉收縮。他還用自己的嘴做了一個實驗，用舌頭舔一片錫箔，再用一只銀勺觸碰舌根，舌頭上出現了一種令人很不舒服的奇怪味覺。他認為是錫和銀在唾液參與下發生化學反應，產生了刺激味覺神經的電流。

為了證實自己的推斷，伏打發明了非常靈敏的驗電器，利用靜電排斥力引起金屬箔片分開的角度變化，測量微小的電壓。他研究過鋅、錫、銅、銀、金等容易加工又不易銹蝕的金屬和石墨，發現這些材料中的任意兩種與溶液接觸，都會產生電壓，材料不同，產生的電壓也各不相同。1800年，伏打發明了人類歷史上最早的化學電源。他在一塊浸透鹽水或堿溶液的皮革兩側分別貼上鋅片和銅片，用金屬導線把鋅片和銅片連接起來，感覺到金屬導線在微微發熱，看見鋅片和銅片與皮革接觸的地方發生了化學反應。

為了讓人們對他的發明有深刻的印象，伏打設計了一個惡作劇般的實驗。他用幾十片銅鋅做成的電極分別夾著浸透鹽水的絨布，疊壓成一個高高的柱子，用兩條金屬絲分別與最上面的鋅片和最下面的銅片相連，金屬絲的另一端分別置入兩個盛水的盆中，然后他問：誰敢把兩只手同時伸進這兩個盆里？所有冒險的人無一例外都遭到了強烈的電擊。

伏打關于“伽伐尼電流”的解釋和他發明的化學電源很快被人們接受，在伏打發明的這種裝置里，兩個金屬電極之間好像有一種神奇的力量推動著電荷運動。為了紀念這位杰出的科學家，人們把電壓的單位定為“伏特”。

19世紀初，人們已經能制造出許多種柔韌細長的金屬絲。這些金屬絲具有良好的導電性，在空氣中不易銹蝕，它們逐漸成為物理學家研究電荷運動必不可少的材料。當時在電學實驗室里，電池和金屬導線已經取代了起電機和萊頓瓶，物理學家有可能充分研究流動電荷產生的各種效應。

伏打發明化學電源20年之后，丹麥哥本哈根大學自然哲學教授奧斯特（1777-1851）發現了電和磁的聯系。2000多年來，人們一直認為電和磁是互不相干的兩件事，僅對它們進行孤立的研究。奧斯特十分贊賞哲學家康德（1727-1804）關于自然界各種現象之間有著深刻內在聯系的觀點，他認為電能夠產生熱、產生光，還會發出聲響，例如放電時的“啪啪”聲，電可能也會產生磁，他希望找到電產生磁的證據。1820年4月，在一次講授“各種電與磁的現象”的課堂上，奧斯特演示了當時能夠做的各種電和磁的實驗，當他舉起手中的指南針向學生講述地磁場的作用時，發現磁針并不指向南方，而在水平方向偏轉了一個很大的角度。他注意到，剛才做過實驗的伏打電池與相連的導線沒有斷開，是電流引起磁針偏轉。

奧斯特決定深入研究這種奇特的現象，他在3個月的時間里做了60多次實驗，研究各種情況下電流對磁針偏轉的影響，并發現所有通過電流的導線都會使周圍磁針發生不同程度的轉動。1820年7月21日，他用拉丁文發表了自己的研究報告。

奧斯特的新發現迅速傳到德國和瑞士，正在日內瓦訪問的法國物理學家阿拉果（1786-1853）立即帶著這一新聞回到法國，并于1820年9月4日在法國科學院的例會上宣讀了奧斯特的這篇論文。此后，法國科學家安培（1775-1836）、比奧（1774-1862）和沙伐爾（1791-1841）等人迅速做出反應，對這一現象進行深入研究。

在1820年9月18日、9月25日和10月9日的法國科學院例會上（該例會每星期舉行一次），安培提交了三篇研究報告。報告指出，線圈通電時對磁針的作用與磁鐵相似，他推斷磁鐵之所以能夠使磁針運動，是由于內部存在著環形電流，而且他認為磁針之所以指向南北，是因為地球內部存在著與赤道方向相一致的環形電流，磁在本質上是電荷運動的結果。他發現，只有運動的電荷才能產生磁。他還發現，通電導線之間也存在著相互作用力，電流方向相同的導線相互吸引，電流方向相反的導線則互相排斥，這種相互作用力可以延伸至很遠的地方。

在1820年10月30日的法國科學院例會上，比奧和沙伐爾報告了他們發現的通電導線對磁針作用的定律，通電導線對磁針的作用力與電流成正比，與距離成反比。數學家拉普拉斯（1749-1827）還用微積分符號寫出了這一定律的另一種表達形式。

在奧斯特宣布自己發現電與磁的聯系100天后，科學家們已經非常清楚地了解電如何產生磁，并且開始探尋物質產生磁性的內在原因。為了紀念這項研究的先驅，人們把磁場的單位定為“奧斯特”，把電流的單位定為“安培”。

新的科學發現常常導致新的技術發明。1821年，世界上出現了兩件重大的發明——電動機和電流表。電動機能夠使電轉換成機械運動，揭開了電氣時代的序幕；電流表則可以使人們“看見”電荷的流動、測量電流的大小，對電磁學進行定量研究。

1821年9月，英國物理學家法拉第（1791-1876）發明了電磁轉動實驗裝置，他利用伏打電池產生源源不斷的電流，使一段通電的直導線在水銀杯中不停地圍繞中央的一根磁鐵棒緩慢旋轉。后來，他又使一根傾斜的磁鐵棒在水銀杯中自行圍繞固定在杯中央的直導線不停地旋轉，從而做成了人類歷史上最早的電動機。這一構想最早是由當時英國皇家學會會長沃拉斯頓（1766-1828）提出的，但他沒有做成。法拉第認真閱讀了1820年法國科學家們的研究報告，分析了導體在磁場中受力的情況，并采用水銀作為減小摩擦阻力的導電介質，完成了這一發明。

還是在這一年，幾位在不同的電學實驗室工作的歐洲科學家，不約而同地想到利用線圈和磁針測量電流的方法。他們在兩個相隔一定距離的垂直線圈之間，水平放a440b7a234eac10b4b6e556e99e62f6090ad53b5ca115949ace03f37cb32fc93置一枚可以自由轉動的磁針。當線圈不通電時，磁針和地磁場的方向一致；當有電流通過這兩個線圈時，電流產生的磁場會推動磁針偏離原來的指向，偏轉一定角度后，線圈產生的磁力和地磁場的作用力達到新的平衡，磁針靜止不動。電流越大，磁針偏轉的角度就越大，根據磁針的偏轉角度，可以知道線圈中電流的大小。這種巧妙的裝置將人無法看到的電荷運動，轉換成視覺可以分辨的磁針空間位置的變化，輕而易舉地解決了電流的測量問題。這項發明為電磁學的研究和日后電氣技術的應用奠定了重要的基礎。（未完待續）

最早的儲存電荷的裝置——萊頓瓶

左上圖、左下圖：郵票上的富蘭克林（1706-1790）

右圖：富蘭克林進行風箏實驗場景的想象圖

左圖：英國皇家學會為保障倫敦軍火庫安全進行避雷針實驗。

右圖：閃電擊中了紐約世貿大樓，避雷針使大樓安全無恙。2001年9月11日，這座大樓和旁邊另一座姐妹樓在恐怖襲擊中被摧毀。

伽伐尼（1737-1798）在解剖青蛙時發現，只要用兩種不同的金屬同時觸及青蛙肌肉的不同部位，就會觀察到青蛙肌肉的收縮。他認為這是一種神秘的“生命元素”發出的電流。

伏打（1745-1827）

奧斯特（1777-1851）

安培（1775-1836）