科学的科普（10）追本逐元（1）从捕电到测电

张武昌 2024年7月31日星期三

闪电是自古至今人类熟悉的“天电”现象，引发了人们关于雷公电母之类的遐想，也是人们对美的追求，有专门的摄影爱好者捕捉闪电的美丽图片。

人们对“生物电”的认识开始于公元前2750年，古埃及人注意到尼罗河中有发电鱼对人产生攻击，称他们为“尼罗河的雷使者”。到公元前200年，人们对电鲶和电鳐的电击感到困惑，没有合理的解释。

琥珀是一种透明的生物化石，是松柏科、云实科、南洋杉科等植物的树脂化石，树脂滴落时会包裹蜜蜂等小昆虫，掩埋在地下千万年，在压力和热力的作用下形成化石。

琥珀原石表面粗糙，需要打磨后变成把玩的琥珀工艺品或饰品，把玩时也时常用布擦拭。

“希腊七贤之一”、“哲学和科学的始祖”、“西方哲学史第一人” 古希腊学者泰勒斯（前624-前547）是第一个注意到“地电”（也是静电Static electricity）的人。他观察到用布摩擦后的琥珀会吸引如羽毛等轻小的东西，但是他认为摩擦使得琥珀磁性化，没有提出电的概念。

电的起名

公元后500年，阿拉伯人创建了闪电的名称raad，也用该词命名电鳐。

对电的系统研究（科学研究）起始于1600年（明朝万历年间），吉尔伯特出版专著《论磁》（De Magnete），提出琥珀摩擦吸引外物的特性和磁是不同的，创造了新的词，电（electrica），这个词就来自希腊语琥珀。以往只在琥珀发现电现象，所以人们认为摩擦带电是琥珀的内禀性质，而吉尔伯特发现琥珀不是唯一可以经过摩擦产生静电的物质，钻石、蓝宝石、玻璃等等，也都可以演示出同样的电学性质。

吉尔伯特发明了最早的静电验电器探测物体是否带电。当带电物体接近金属指针的尖端时，指针会转向带电物体（原理是因为静电感应，异性电荷会移动至指针的尖端，指针与带电物体会互相吸引）。

摩擦起电机

1660年，德国人格里克觉得用毛皮或丝绸摩擦起电比较费事，就发明了第一台摩擦起电机，用硫黄做了一个球，中间插入铁轴，安放在一个座架上，使它能够绕轴转动。转动时，把手掌放在球上，球与手掌摩擦后就可以产生电。起电的硫黄球不仅能吸引纸屑，有时也会排斥它们。在夜里或在暗室里摩擦硫黄球，它会发光。1675年，牛顿用玻璃球替代了硫磺球。

1705年左右，英国科学家豪克斯比（1666年—1713年），用空心玻璃球代替实心玻璃球制成一台摩擦起电机。并在球的下面装了一个带手柄的圆盘，摇动手柄，圆盘会带动球转动。用手摩擦球的外面，球的里面会产生火花。

 1742年，苏格兰人戈登（1712年—1757年）用玻璃柱代替玻璃球制成的摩擦起电机，转速可以达到每分钟680转，能够产生强烈的火花，电量可以杀死小鸟。

 1745年，苏格兰人温克勒（1703年—1770年）把玻璃柱安装在脚踏板带动的轴上，用脚踏代替手摇。

 1768年，英国人冉斯登（1735年—1800年）用平的玻璃板代替了玻璃球或玻璃柱制成平板型摩擦起电机。

 1775年，亚历山德罗·伏特由A.伏特发明了起电盘。

1779年，荷兰人印根豪茨（1733年—1799年）在圆玻璃板的上、下方安了4个软垫，用软垫和玻璃摩擦，而不再使用手摩擦起电。

1785年，荷兰人马鲁姆（1750年—1837年），制成了带有两块玻璃板的摩擦起电机。两块板平行放置，安在一个公共轴上，每块玻璃板都和4个垫子摩擦，并用带有尖端的导体从板上收集电。

1882年，英国人维姆胡斯（1832年—1903年）发明了我们今天看到的圆盘式静电感应起电机，他把两块玻璃板安在同一个轴上，而转动方向相反。这种起电机效率很高，能产生高电压，所以沿用至今。

电的传导

1729年，英国科学家斯蒂芬·格雷（Stephen Gray）用干纸摩檫一根玻璃管使其带电，用木塞将玻璃管的二端塞住，发现不仅玻管能吸引皮毛，而且塞在二头的软木塞也能吸引东西。由此，他得出结论，电已由玻管传到了木塞。

他进一步想，电能传多远呢？他把一个象牙球插在一根几寸长的木棍上，然后把木棍的另一端插到木塞上，他发现，象牙球不仅能吸引或排斥物体，而且更强。

用木塞将玻璃管的二端塞住。结果，他发现不仅玻管能吸引皮毛，而且塞在二头的软木塞也能吸引东西。由此，他得出结论，电已由玻管传到了木塞。他进一步想，电能传多远呢？他把一个象牙球插在一根几寸长的木棍上，然后把木棍的另一端插到木塞上，他发现，象牙球不仅能吸引或排斥物体，而且更强。

在格雷以前，世界上能出现的都是用摩檫而产生的静电，无人知道电是否能传导。格雷第一个发现了电的传导现象，被称为电之父。

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。

后来，格雷用不同长度的铜线放在玻管和象牙球之间做试验，看电能传多远。他当时只有800尺长的铜线，还能看到能传电。

电的储存

 荷兰莱顿大学物理学教授马森布罗克( Pieter Von Musschenbrock，1692~1761) 与德国卡明大教堂副主教冯· 克莱斯特( Ewald Georg Von Kleist ，1700~1748 ) 分别于 1745 年和 1746 年独立研制出--莱顿瓶。

1746年，荷兰莱顿大学的教授马森布罗克( PieterVon Musschenbrock，1692~1761)  在做电学实验时莱顿瓶，无意中把一个带了电的钉子掉进玻璃瓶里，他以为要不了多久，铁钉上所带的电就会很容易跑掉的，过了一会，他想把钉子取出来，可当他一只手拿起桌上的瓶子，另一只手刚碰到钉子时，突然感到有一种电击式的振动。这到底是铁钉上的电没有跑掉呢，还是自己的神经太过敏呢?于是，他又照着刚才的样子重复了好几次，而每次的实验结果都和第一次一样，于是他非常高兴地得到一个结论:把带电的物体放在玻璃瓶子里，电就不会跑掉，这样就可把电储存起来。

莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电学莱顿瓶家们不仅利用它们作了大量的实验，而且做了大量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。其中最壮观的是法国人诺莱特在巴黎一座大教堂前所作的表演，诺莱特邀请了路易十五的皇室成员临场观看莱顿瓶的表演，他让七百名修道士手拉手排成一行，队伍全长达900英尺(约275米)。然后，诺莱特让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的握瓶的引线，一瞬间，七百名修道士，因受电击几乎同时跳起来，在场的人无不为之口瞪目呆，诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。

莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。

1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，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。

1752年富兰克林进行了著名的费城实验，用风筝将"天电"引了下来，收集到莱顿瓶中，从而弄明白了"天电"和"地电"原来是一回事，并命名了正电荷（positive charge）和负电荷（negative charge）。他肯定了"起储电作用的是瓶子本身"，"全部电荷是由玻璃本身储存着的。"富兰克林正确地指出了莱顿瓶的原理，后来人们发现，只要两个金属板中间隔一层绝缘体就可以做成电容器，而并不一定要做成像莱顿瓶那样的装置。

测量电荷量

1785年，法国科学家库伦 Coulomb发表《电力定律》论文，发明了库伦扭称测量电荷间的作用力，得出了库伦定律（Coulomb's law），真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上，同名电荷相斥，异名电荷相吸。

库仑扭称实验装置如下：一个玻璃圆缸，在上面盖一块中间有小孔的玻璃板。小孔中装一根玻璃管，在玻璃管的上端装有测定扭转角度的测微计，在管内悬一根银丝并伸进玻璃缸内。悬丝下端系住一个小横杆，小横杆的一端为木质小球A，另一端为平衡小球B，使横杆始终处在水平状态。玻璃圆筒上刻有小木球A的360个刻度，悬丝自由松开时，横杆上小木球A指零。

库仑扭称实验原理如下：固定在底盘上的小球C带电，再让两个小球A、C接触后分开，以致两个小球均带同种等量电荷，两者互相排斥。带电的木质小球A受到的库仑斥力产生力矩使横杆旋转，悬丝也扭转形变产生扭转力矩。因为悬线很细，作用在球上很小的力就能使棒显著地偏离其原来位置。当悬丝的扭转力矩和库仑力力矩相平衡时，横杆处于静止状态。

虽然卡文迪许的同心球电荷分布实验比库仑的扭秤实验精确且早几十年，但是卡文迪许并没有发表自己的著作。直到1871年麦克斯韦主持剑桥大学的卡文迪许实验室后，卡文迪许的手稿才转到了麦克斯韦手中。麦克斯韦亲自动手重复了卡文迪许的许多实验，并将这份手稿整理后出版，卡文迪许的工作才为世人所知。

1785年，电的量化使得电磁现象进入了定量研究阶段，电学成长为一门科学。