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第9章 科学王子法拉第(2)

法拉第的一生是辉煌的,他是公认的最伟大的“自然哲学家”之一。每个时代都需要有一些具有特殊才智的人,法拉第的伟大成功也许部分原因正是由于他所生活的时代。他的非凡才智是什么呢?丰富的想象力加上足智多谋的实验才能,工作热情和相应的耐性使他能够迅速地分辨真假与真正发现应有的批判精神和统观一切的广阔视野。他还具有一些健全的哲学思想,他深刻的几何学和空间上的洞察力以及善于持久思考的能力正好补偿了他数学上的不足。在他留下来的笔记中,有下面一段话:“我一直冥思苦索什么是使哲学家获得成功的条件。是勤奋和坚韧精神加上良好的感觉能力和机智吗?难道适度的自信和认真精神不是必要的条件吗?许多人的失败难道不是因为他们所向往的是猎取名望,而不是纯真地追求知识以及因获得知识而使心灵得到满足的快乐吗?我相信,我已见到过许多人,他们是矢志献身于科学的高尚的成功的人,他们为自己获得了很高名望,但是还有一种人,在他们心灵上总是存在着妒忌或后悔的阴影,我不能设想一个人有了这种感情还能够做出科学发现。至于天才及其威力,可能是存在的,我也相信是存在的,但是,我长期以来为我们实验室寻找天才却从未找到过。不过我看到了许多人,如果他们真能严格要求自己,我想他们已成为有成就的实验哲学家了。”

开尔文勋爵可以说对法拉第是相当了解,他在纪念法拉第的文章中说:“他的敏捷和活跃的品质,难以用言语形容。他的天才光辉四射,使他的出现呈现出智慧之光,他的神态有一种独特之美,这有幸在他家里——皇家学院见过他的任何人都会感觉到的,从思想最深刻的哲学家到最质朴的儿童。”

特别是从开尔文勋爵写给他夫人的一封信中,我们可以看出他对法拉第的性格有着多么深刻的认识:“我有幸会见了英国和欧洲的第一流物理学家法拉第……这对我是一个非常幸福和高兴的时刻。他淳朴、温和、谦恭,有如小孩。我尚未遇见过这样可爱的人。而且,他待人也是最亲切的,他亲自向我展示了一切。但是这不算什么,因为只要有一些木头、一些导线和一些铁片,就足以使他做出最伟大的发现。”

电与我们的生活密切相关,没有了电,我们的生活将陷入一片黑暗。“电”一词在西方是从希腊文琥珀转译而来的,在中国则是从雷闪现象中引出来的。自从18世纪中叶以来,科学家们对电的研究逐渐蓬勃开展,它的每项重大发现都引起广泛的实用研究,从而促进科学技术的飞速发展。

现在,人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都已离不开电。随着科学技术的发展,某些带有专门知识的研究内容逐渐独立,并形成专门的学科,如电子学、电工学等。电学又可称为电磁学,是物理学中颇具重要意义的基础学科。

电的最早记载可追溯到公元前6世纪,早在公元前585年,希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体,后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。在以后的2000年中,这些现象被看成与磁石吸铁一样,属于物质具有的性质,此外没有什么其他重大的发现。

电在中国也产生很早,西汉末年已有“碡瑁吸偌”的记载,这种吸取细小物体的磁力就是电。晋朝时更有了关于摩擦起电引起放电现象的记载:“今人梳头,解着衣时,有随梳解结有光者,亦有咤声。”

1600年,英国物理学家吉伯发现,不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体,相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质,他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同,他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。吉伯在实验过程中制作了第一只验电器,这是一根中心固定可转动的金属细棒,当与摩擦过的琥珀靠近时,金属细棒可转动指向琥珀。

过了60年,马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体,用干燥的手掌摩擦转动球体,使之获得电。盖利克的摩擦起电机经过不断改进,在静电实验研究中起着重要的作用,直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机后才被取代。

18世纪是电学的大发展时期。1729年,英国的格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现了导体和绝缘体的区别:金属可导电,丝绸不导电。并且他第一次使人体带电。格雷的实验引起法国迪费的注意。1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电,因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”,琥珀上产生的电与树脂产生的相同,叫做“树脂的”。他得到:带相同电的物体互相排斥,带不同电的物体彼此吸引。

1745年,荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件,它对于电知识的传播起到了重要的作用。与穆申布鲁克同时期的富兰克林也做了许多有意义的工作,他使得人们对电的认识更加丰富。1747年,富兰克林根据实验提出:在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素;电跟流体一样,摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体,但不能创造;任何孤立物体的电总量是不变的,这就是通常所说的电荷守恒定律。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电,物体失去电而不足的部分叫做带负电。

事实上,这种关于电的一元流体理论在今天看来并不正确,但富兰克林所使用的正电和负电的术语至今仍被采用,他还观察到导体的尖端更易于放电等。早在1749年,他就注意到雷闪与放电有许多相同之处,1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层来进行雷击实验,证明了雷闪就是放电现象。在这个实验中最幸运的是富兰克林居然没有被电死,因为这是一个危险的实验,后来有人重复这种实验时遭电击身亡。富兰克林还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击,1745年这一设想首先由狄维斯实现,这大概是电的第一个实际应用。

18世纪后期,电荷相互作用的定量研究开始得到推广。1776年,普里斯特利发现带电金属容器内表面没有电荷,猜测电力与万有引力有相似的规律。1769年,鲁宾逊通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验,第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离的二次方成反比。1773年,卡文迪许推算出电力与距离的二次方成反比,他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。

1785年,库仑设计了精巧的扭秤实验,直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离的二次方成反比,与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认,从此电学的研究开始进入科学行列。1811年,泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电,发展了静电学的解析理论。

18世纪后期,电学的另一个重要发展是意大利物理学家伏打发明了电池,在这之前,电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行,而它们只能提供短暂的电流。1780年,意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。他进一步的实验发现,若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉,则当两种金属相碰时,蛙腿也会发生抽动。

1792年,伏打对蛙腿抽动的情况进行了仔细研究之后,认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的,而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想,1799年,他制造了第一个能产生持续电流的化学电池,其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体,叫做伏打电堆。

伏打电堆的产生是一个转折点,从此以后,各种化学电源蓬勃发展起来。1822年塞贝克进一步发现,将铜线和一根别种金属线连成回路,并维持两个接头的不同温度,也可获得微弱而持续的电流,这就是热电效应。

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