把天神之力握在手中——電的歷史

江底石

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自古以來，天空中的閃電都是神力的象征，人們對之恐懼而崇拜，不曾想有一天，由於電磁學的發展，這種神奇的力量會掌握在人類的手中！

閃電

據說，古希臘的泰勒斯（約公元前600年）已經發現摩擦過的琥珀能吸引碎草等輕小物體，這是最早的關於摩擦生電的記錄。中國古代也有類似的記錄，並且還發明了指南針。

近代，第一位認真研究電現象的是英國的醫生、物理學家吉爾伯特（William Gilbert，1544～1603）。

吉爾伯特

1600年，吉爾伯特用觀察、實驗方法科學地研究了磁與電的現象，並把多年的研究成果，寫成名著《論磁》，於1600年在倫敦出版。著作中記錄了磁石的吸引與推斥；磁針指向南北等性質；燒熱的磁鐵磁性消失；用鐵片遮住磁石，它的磁性將減弱。他研究了磁針與球形磁體間的相互作用，發現磁針在球形磁體上的指向和磁針在地面上不同位置的指向相仿，還發現了球形磁體的極，並斷定地球本身是一個大磁體，提出了“磁軸”、“磁子午線”等概念。

在《論磁》中，吉爾伯特也敘述了他對電現象的研究內容。他研究了十幾種物質，發現它們中的大多數被摩擦後，同琥珀、瑪瑙被摩擦後相似，可以吸引輕小的物體。有“琥珀之力”，他認為這可能是蘊藏在一切物質中的一種看不見的液體在起作用，並把這種液體稱之為“琥珀性物質”。後來根據希臘文“琥珀”一詞的詞根，擬定了一個新名詞──“電”。不過，吉爾伯特認為電與磁有本質區別。

約1660年，馬德堡的蓋利克(OttovonGuericke，1602—1686)發明了第一台摩擦起電機。它是用能在曲軸上旋轉的硫磺球制成，每一次旋轉都產生一些靜電並貯存在硫磺球裏，以致可以演示連續放電實驗。運用這個儀器，他發現了靜電感應現象，即一個小物體只要靠近帶電物體它也會帶電。此外，他他還發現了同性電荷相排斥的現象。

1729年，英國的斯蒂芬·格雷（Stephen Gray，1666年—1736年)在研究琥珀的電效應是否可傳遞給其他物體時發現導體和絕緣體的區別：金屬可導電，絲綢不導電，並且他第一次使人體帶電。

格雷的實驗引起法國迪費( Charles-Francois du Fay ，1696 年~1739年 ) 的注意。1733年迪費發現不同物體摩擦產生的電是不同的，他把玻璃上產生的電叫做“玻璃的”，琥珀上產生的電叫做“琥珀電”。他得到一個重要的結論：帶相同電的物體互相排斥；帶不同電的物體彼此吸引。

1746年，荷蘭萊頓大學的教授穆申·布魯克在做電學實驗時，無意中把一個帶了電的釘子掉進玻璃瓶裏，他以為要不了多久，鐵釘上所帶的電就會很容易跑掉的，過了一會，他想把釘子取出來，可當他一只手拿起桌上的瓶子，另一只手剛碰到釘子時，突然感到有一種電擊式的振動，就這樣，他發明了可以把電儲存起來的萊頓瓶。其實，萊頓瓶和今天的電容器原理是一樣的。萊頓瓶的發明為電的進一步研究提供了條件，它對於電知識的傳播起到了重要的作用。

萊頓瓶

到了十八世紀，電的問題已經成為科學研究的熱點問題。美國學者富蘭克林（Benjamin Franklin，1706年—1790年）在電學研究上做了許多有意義的工作，使得人們對電的認識更加豐富，富蘭克林提出了電荷守恒定律。他還把迪費的“玻璃電”叫“正電”，“琥珀電”叫“負電”。

富蘭克林實驗

1752年，富蘭克林在雷雨天氣將風箏放入雲層，以進行雷擊實驗，最終證明了雷閃就是放電現象。在這個實驗中，最幸運的是富蘭克林居然沒有被電死，因為這是一個非常危險的實驗。實際上，後來有人重複這個實驗時，因遭電擊而身亡。富蘭克林還建議用避雷針來防護建築物免遭雷擊。捷克牧師狄維斯(P.DiviSCh)在1745年首先設計出具有實用價值的避雷針。

工人正在安裝避雷針

1776年，普裏斯特利發現帶電金屬容器內表面沒有電荷，猜測電力與萬有引力有相似的規律。1769年，魯賓孫通過作用在一個小球上電力和重力平衡的實驗，第一次直接測定了兩個電荷相互作用力與距離二次方成反比。1773年，卡文迪許推算出電力與距離的二次方成反比，他的這一實驗是近代精確驗證電力定律的雛形。

1785年，法國科學家查利·奧古斯丁·庫侖（Charles-Augustin de Coulomb，1736年-1806年）設計了精巧的扭秤實驗，直接測定了兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比，與它們的電量乘積成正比，即庫侖定律。

庫倫的扭秤

1780年，意大利的解剖學家伽伐尼偶然觀察到與金屬相接觸的蛙腿發生抽動。他進一步的實驗發現，若用兩種金屬分別接觸蛙腿的筋腱和肌肉，則當兩種金屬相碰時，蛙腿也會發生抽動，伽伐尼執著於生物電的研究，最終發現神經傳導與電流有關。

1792年，亞曆山德羅·朱塞佩·安東尼奧·安納塔西歐·伏特（Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，1745年－1827年）對伽伐尼的實驗進行了仔細研究之後，認為蛙腿的抽動是一種對電流的靈敏反應。電流是兩種不同金屬插在一定的溶液內並構成回路時產生的，而肌肉提供了這種溶液。基於這一思想，1799年，他制造了第一個能產生持續電流的化學電池，其裝置為一系列按同樣順序疊起來的銀片、鋅片和用鹽水浸泡過的硬紙板組成的柱體，叫做伏打電堆。

伏特和他發明的電池堆

伏打電池的發明，直接推動了電化學的發展，化學家漢弗裏·戴維(Humphry Davy，1778年-1829年)借此發現了許多化學元素，成為歷史上發現元素最多的人。

戴維

雖然早在1640年已有人觀察到閃電使羅盤的磁針旋轉，1750年，富蘭克林又觀察到萊頓瓶放電可使鋼針磁化，但到19世紀初，科學界仍普遍認為電和磁是兩種獨立的作用。

奧斯特

1820年4月，丹麥科學家漢斯·克海斯提安·奧斯特（Hans Christian rsted，1777年-1851年）在一次講演快結束時，把一條非常細的鉑導線放在一根用玻璃罩罩著的小磁針上方，接通電源的瞬間，他注意到磁針跳動了一下。在場的聽眾沒有一個人注意到這歷史性的一跳，但奧斯特卻喜出望外，竟激動地在講台上摔了一跤。以後，奧斯特花了三個月，作了許多次實驗，發現磁針在電流周圍都會偏轉。1820年7月21日，奧斯特寫成《論磁針的電流撞擊實驗》的論文報告了他的發現：當電流通過導線時，會引起導線近旁的磁針偏轉。這樣，電和磁就被聯系起來。

一切准備就緒，電磁學即將迎來偉大的時刻。

法拉第

邁克爾·法拉第（Michael Faraday，1791年～1867年）出生薩裏郡紐因頓一個貧苦鐵匠家庭。父親的收入雖然僅能勉強維持生活的溫飽，但父親十分注意對孩子們的教育。法拉第幼年時只讀了兩年小學，就由於家庭貧困輟學了。

1803年，13歲的法拉第走上街頭當了報童。第二年又到一個書商兼訂書匠的家裏當學徒。訂書店裏書籍堆積如山，法拉第帶著強烈的求知欲望，如饑似渴地閱讀各類書籍，汲取了許多自然科學方面的知識，尤其是《大英百科全書》中關於電學的文章，強烈地吸引著他。他努力地將書本知識付諸實踐，利用廢舊物品制作靜電起電機，進行簡單的化學和物理實驗。

有一天，法拉第的哥哥發現法拉第心事重重，再三追問之下，才知道法拉第是想去聽赫赫有名的塔特姆先生的講座，可是又沒錢買門票。哥哥拿出自己的一些積蓄對他說：“去吧，去吧，哥哥有錢呢！”

從1810年2月到1811年9月，法拉第陸陸續續共聽了十幾次塔特姆先生的講演，每次聽完他都將筆記重新寫一遍，配上一些自己畫的插圖，後來合訂成一大本，可以拿出來學習。

一個偶然的機會，英國皇家協會會員當斯來到印刷廠校訂他的著作，無意中發現法拉第的手抄本，當他知道這是一位裝訂圖書學徒記的筆記時，他大吃一驚。當斯先生知道法拉第對聽科學講座很感興趣後，當斯送給法拉第四張皇家學院的聽講券。

這樣，法拉第得以來到皇家學院旁聽，作報告的是就是赫赫有名的電化學家戴維。和一般看熱鬧的聽眾不同，法拉第每一節講座都認真做筆記，不漏掉任何戴維演講的重點，還把實驗演示畫成插圖。晚上回到家，法拉第又整理白天記的筆記，每個細節都不遺漏，幹淨地謄抄。四次演講聽完，法拉第竟然整理出一本368頁的筆記，他將這本筆記精心裝訂，並在封面印上了“漢弗裏·戴維爵士講演錄”。聖誕節前夕，法拉第就把這本講演錄作為聖誕禮物寄給戴維，並付了一封信。戴維接到講演錄和信，被法拉第的真誠勤懇以及投身科學的熱情所打動，於是他接納法拉第為實驗室的助手。從此，法拉第開始了他的科學生涯。

法拉第勤奮好學，工作努力，很受戴維器重。1813年10月，法拉第隨戴維到歐洲大陸國家考察，他的公開身份是仆人，但法拉第充分利用這次考察的機會開闊了眼界。他見到了許多著名的科學家，參加了各種學術交流活動，還學會了法語和意大利語。

1815年5月法拉第回到皇家研究所，並且在戴維指導下做獨立的研究工作並取得了幾項化學研究成果。1816年法拉第發表了第一篇科學論文。從1818年起他和J·斯托達特合作研究合金鋼，首創了金相分析方法。1820年他用取代反應制得六氯乙烷和四氯乙烯。1821年任皇家學院實驗室總監。

1820年，奧斯特發現電流的磁效應，受到科學界的關注。安德烈·瑪麗·安培（André-Marie Ampère，1775年—1836年）馬上集中精力研究，幾周內就提出了安培定則即右手螺旋定則。隨後很快在幾個月之內連續發表了3篇論文，並設計了9個著名的實驗，總結了載流回路中電流元在電磁場中的運動規律，即安培定律。

安培

1821年安培提出分子電流假設，第一次提出了電動力學這一說法。

1821年，威廉海德沃拉斯頓（William Hyde Wollaston，1766年—1828年）想在戴維面前演示電磁運動的現象。然而，試驗好幾次，也未能如願地實現導線自轉。法拉第當時在場，也被這個問題深深吸引。

1821年法拉第與好友伯納爾的妹妹撒拉·伯納爾結婚。此時，法拉第正在熱情投入電磁學研究，不顧新婚，花了三個月時間認真地分析了奧斯特發現電流致磁針偏轉的實驗，思索著沃拉斯頓使磁致導線自轉試驗失敗的原因。經過反複試驗和思考，他想到，既然磁針試圖繞著磁針轉，即通電導線繞著磁鐵的磁極公轉，而不是沃拉斯頓所設想的自轉。於是，法拉第就按照這個想法發明了世界上第一台電動機，實現了把電能轉化為動能。

然而，法拉第的發現遭到人們的質疑，許多人認為法拉第剽竊了沃拉斯頓的成果。法拉第本以為能從恩師戴維會出面為他證明清白，然而讓法拉第大失所望的是，戴維對於自己助手的成就不予評價，導致法拉第很尷尬。幸好沃拉斯頓出面澄清，還帶頭推薦法拉第加入英國皇家學會。自己的助手突然變得和自己平起平坐，戴維一時難以接受，竟然不讓法拉第繼續研究電磁學，而是讓他去研究化學材料學，還利用自己皇家學會會長的身份，拖延法拉第入會的表決選舉，直到1824年1月8日才進行選舉。終於，法拉第在只有一張反對票的情況下當選了。而這張反對票，就是法拉第的老師、皇家學會會長戴維投出的。

1823年，法拉第在化學領域發現了氯氣和其他氣體的液化方法。1825年2月，接替戴維任皇家研究所實驗室主任，同年發現苯。

雖然戴維難以接受自己的小助手突然變得和自己平起平坐，但他內心深處是認可法拉第的才華和成就的。在戴維去世前，曾經有人問他，作為發現化學元素最多的人，他自己覺得自己最重要的發現是什麼？戴維回答：“我這一生最重要的發現是發現了法拉第！”

此後，法拉第繼續深入研究電磁學。他仔細地分析了電流的磁效應等現象，認為既然電能夠產生磁，反過來，磁也應該能產生電。然而要把磁變為電談何容易。

傳說，法拉第曾經有一個叫亨利的年輕助手。法拉第讓亨利嘗試用磁能產生電，亨利照著做了半個月，可實驗總是失敗，他只能在本子上不停地寫下“NO”。亨利不耐煩了，他對法拉第說：“這事沒什麼意義！您讓我做點別的吧！”法拉第搖頭說：“這事很重要，做成了就是重大發現。”亨利又堅持了幾天，最後還是溜走了。

法拉第堅持這項實驗期間，電磁學又有了進一步發展。1826年，受到傅裏葉關於固體中熱傳導理論的啟發，喬治·西蒙·歐姆（Georg Simon Ohm，1787年—1854年）通過實驗發現歐姆定律。

歐姆

1831年，長達10年，不斷地嘗試各種方法後，法拉第終於發現，當磁力發生變化時，就會有感應電流產生。大量實驗讓法拉第總結出了電磁感應定律。這樣，在1831年，法拉第發明了世界上第一台發電機。

電磁感應定律

當時，不是每個人都明白發電機和電動機的價值，據說，在法拉第表演他的圓盤發電機時，一位貴婦人問道：“法拉第先生，這東西有什麼作用呢？”法拉第答道：“夫人，一個剛剛出生的嬰兒有什麼作用呢？”

1835年，法拉第被英國皇室授予爵士稱號。當年的助手亨利一事無成，又來求法拉第收留他。法拉第拒絕道：“這個稱號本該屬於你。當年我讓你做的事，我堅持了10年，終於在電磁學方面有了重大發現。”說完，法拉第拿出一個厚厚的本子，那正是亨利當年用過的。亨利看到，在他記錄的十幾個“NO”後面，法拉第記下數千個“NO”，最後才是個大大的“YES”。

法拉第孜孜不倦地不斷試驗，取得了豐碩的成果。

1837年，法拉第根據大量的實驗提出了電磁場理論。1843年，法拉第用有名的“冰桶實驗”，證明了電荷守恒定律。1845年，也是在經曆了無數次失敗之後，他終於發現了“磁光效應”。他用實驗證實了光和磁的相互作用，為電、磁和光的統一理論奠定了基礎。

1848年，受到艾伯特王夫引見，法拉第受賜在薩裏漢普頓宮的恩典之屋，並免繳所有開銷與維修費。這曾是石匠師傅之屋，後稱為法拉第之屋，現位於漢普頓宮道37號。

1852年，他又引進了磁力線的概念，從而為電磁學理論的建立奠定了基礎。

1858年，法拉第退休，在薩裏漢普頓宮的恩典之屋定居，直至去世。

得益於科學家們前仆後繼的努力，人類終於將曾經的天神之力——電，掌握在手中！今天，各種家用電器和工業電機為人類的生活提供了便利，讓我們每個人的生活都由此受益！