9电磁学之发展与世界之电化

电磁学之发展与世界之电化摘要：现代人的生活，似乎离不开电.物理概念的发展而言，更有趣的，也更重要的是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了离不开它的地步。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，对全人类可能（但不必然）产生的巨大影响。关键词：电磁学发展世界电化一、前言现代人的生活，似乎离不开电。电灯、电话、电视、电影、计算机、电冰箱…，样样都是生活必须用品。一旦停电，日子不知怎么过。但世界上第一个有规模的发电厂（尼加拉水力发电厂，显示了当时电力的需求已渐普遍）开动，不过是1896年的事，距今只有一百多年。(电视连续剧「大宅门」描写清末民初电灯、电话初到北京城的情形，相当有意思。)一百多年间，这个世界上大部份的人的生活，从几乎没有电器用品，到充满了电器用品，这变化不但是巨大得令人难以想象，并且深入到生活、思想、感情…，所有的人生面向。举个有诗意的例子：爱情上受挫折是古今中外诗歌中最常见的题材。古诗中固然有怨恨情人变心的，但也很常见的是所爱之人远在他乡，衷情难诉，以致相思甚苦。例如：古诗十九首「采之欲谁遗，所思在远道」。李白长相思「天长路远魂飞苦」等等。如今的流行歌曲中，第二种越来越少，第一种却很多。──今日的手机、e-mail等等，使距离不再成为谈情说爱的障碍，但却防不了情人变心。──这也显示了，要了解古人，就要从古人当时的情境来看才能妥切。也许，很多人有兴趣知道最新奇的发明。但从物理概念的发展而言，更有趣的，也更重要的是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了离不开它的地步。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，对全人类可能（但不必然）产生的巨大影响。二、古代的电磁观察与应用1936年，考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐，罐中铺了沥青，沥青上插着铁条。在大约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦人发明的电池，而镀金物（如果是电镀）是这些东西确是电池之证据。而这些东西，其年代有早到公元前2000年以上的。如果这是真的，巴比伦人领先了近代电池(伏特，1793)与电镀(1800-35)，将近四千年。别的文明在电磁方面就没有这样可惊的成绩了。古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以生电，至今英文Electricity的字根，尚是希腊文的琥珀。但对他们说来，天上的雷电，仍然是宙斯大神的脱手武器。中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带电物会吸小物体（东汉王充27-97「论衡」电磁力之记述：「顿牟拾介，慈石引针」），以及利用磁针导航，甚至对磁偏角有所记述(方以智，~1600)。「磁针导航」这技术，传到西方，促成了西方的「大探险时代」(15-16世纪。1492哥伦布发现美洲，1498达伽马绕过好望角到达印度，1519-22麦哲伦环绕世界一周，称为「三大航海」。他们都用磁针罗盘。)也引起了十八世纪以后的殖民主义。这些电磁的观察与应用，可以使我们感叹古人之智能，特别是巴比伦电池。但巴比伦电池即使是事实，对日后电磁学发展，却没有什么影响。摩擦生电与磁性现象却在停滞千余年之后，在十八世纪的西欧，成为电磁学发展的出发点。三、电之捕捉与库伦定律十七世纪末(1684年)，牛顿出版其「自然哲学之数学原理」。从此，研究自然界之力之种种，成为物理学之中心课题，一直到今天。但这本书太成功了，力学的现象，从天上行星之运转，到地面苹果落地，似乎它都能精准描述。然而，牛顿此书中只有一种力：万有引力。牛顿也知道自然界绝不止这一种力，例如，杯子打破了，碎片不可能凑起来就合而为一，可见原来把杯子各部份连合成一块的力不是万有引力；万有引力太微弱，不足以使物体聚合成形。故牛顿以后，要做有挑战性的研究，莫过于研究万有引力之外的力。电与磁都会产生力，而且比万有引力大很多。（如果两块磁铁，吸在一起，使其相聚之力是磁力，就可以分分合合。）因此，十八世纪的欧洲，很多人在研究电与磁。特别是电，更富挑战性。因为电这个东西，虽然摩擦两个适当的物体，就能产生。带电物体会吸小纸片，有时还会在黑暗处冒火花，好玩得很。(当时，还有人发明了摩电器。)但是，却不容易驾驭，一不小心就被它溜掉。1734年，法国人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696-1739），玩来玩去，玩出心得。他发觉不管是用什么东西摩出来的，电只有两种。他命名之为「玻璃电」与「树脂电」。只有不同类的电，相互靠近时才会相吸或冒火花，同类的不但不冒火花，还会相斥。他又发明了一个器具：密封的玻璃瓶中，插入一根金属棒，瓶内的一端，挂上两片金箔；瓶外的一端，做成一个小球。带电的物体靠近小球时，金箔就会张开。──这些，今日看来都没有什么了不起，但在电还是「神出鬼没」的时候，这是不简单的成就。然而，每次玩电，都要从头摩起，相当烦人。1745年，荷兰莱顿大学教授穆森布洛克(PetrusvanMusschenbrock，1692-1761)，根据克莱斯特(E.G.Kleist,1700-48)发明的储电器，发表了「莱顿瓶」。这也是一个玻璃瓶，内外壁上各贴一圈锡箔纸。内壁可以「充电」（把摩擦来的电碰触而输进去），这些电很久都不会跑掉。如果用两根金属线，把内外相连，两金属线的缝隙中就可以产生火花。今日来看，「莱顿瓶」不过是个简单的电容器，但当时极受欢迎。瓶子越做越大，火花也更壮观。可是，电到一下可不是好玩的(也有人特意去尝一下被电的滋味)。这可以说这是人类驯服电的开始（姑且不算巴比伦），但也开始领教了电的威力。十八世纪初，美国还是欧洲的化外之地，文化落后，更无所谓科学。波士顿的一个做肥皂与蜡烛的工匠，十七个子女中的第十个，自学有成，文采斐然。与欧洲，特别是英国的科学家，保持通信。他从英国进口仪器开始，研究电学而成名，到后来被英国皇家学院选为院士。在美国的独立革命中，他以著名科学家的身份，出使法国，立下大功。也在独立宣言(1776)上签名，成为美国的开国元勋之一。他就是鼎鼎大名的富兰克林(BenjaminFranklin，1709-1790)。1752年，他在大雷雨中放风筝，把天上的电，收到莱顿瓶中。从此证明了天上的电，与摩擦出来的电是一样的；一般人所怕的雷，声势吓人，其实并不可怕，伤人破屋的是电。进一步，他就发明了避雷针：建筑物上装一根金属针，通到地下，屋中的人就不怕雷了，因为电就会被导入地下。（新英格兰有一教堂中的牧师，认为避雷针保护好人，也保护坏人，有碍上帝的意旨，故在讲道中大加谴责。不料没几天，教堂受到雷击，塌了一角，只好也装上避雷针。）此外，他注意到了两种电有相互扺消的现象，所以他建议把「玻璃电」与「树脂电」改名为「正电」与「负电」（模拟于正数与负数之相互扺消）。富兰克林的正负电命名，沿用至今，但是却有些不幸。因为常用的金属导线中流动的都是电子，而电子上所带的电，却被命名为负电。以致电线中的电流若是向左，其中电子其实是向右跑。「正数与负数之相互扺消」这事中，含有量的关系（+3,-3可以相消，+3,-2就消不干净。）「电荷量」之测定，却要归功于法国人库伦(CharlesAugustinCoulomb,1736-1806)。(也有人得到类似的结果，但以他的发表最早，影响也最大。)库伦出身兵工军官，早年在中美洲驻扎时，把身体搞坏，回国做研究。法国大革命(1789)后退隐家园。他发现了用细长绳索吊挂一根细棍，细棍两端对称以维持水平。两端若受水平方向之微力，则以的绳索之扭曲以平衡之。这「扭称」(torsionbalance)可以做很精准的力的测量(至今尚是的测量微小力的最精准工具，但这种实验都是很难做的)。在1785-91年间，他用这工具，反复测量，终于发现了库伦定律:电荷与电荷之间，同性相斥，异性相吸。其力之方向在两电荷间之联机上。其大小与电荷间之距离之平方成反比，而与两电荷量之大小成正比。这是电学以数学来描述的第一步。请注意：(1)此定律用到了牛顿之力之观念。(若无牛顿对力之阐述，很难想象此定律是何形式)。这成了牛顿力学中一种新的力。其与牛顿万有引力有相同之处，如：与距离之平方成反比；亦有不同，如：可以相吸，亦可以相斥。(2)这定律成了「静电学」(即电荷静止时之各种现象)之基础。如今所有电磁学，第一个课题必然是它。(3)这也是电荷单位的来源。例如：两个相同之电荷，相距一公尺，若其相斥之力为「若干」时，称之为一单位。原理上，这「若干」可以任意选定，所以电荷单位有好几种。但今日「公制」(MKSA)的做法，却是先决定电流单位「安培」(理由见后)，再以一安培之电流一秒中的累计量为一「库伦」，再间接决定这「若干」=9×109牛顿。(4)这9×109牛顿，相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。虽然也可以说一库伦的电荷太大，但无论如何，正负电相消的趋势是很强的。日常的物体中，虽然电荷很多，但几乎都抵消的干干净净，呈现电中性的状态。必须花功夫（如摩擦）才能使其呈现带电状。而且，一不小必就又跑去中和掉，所以难以驾驭。因此，虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准，单独的库伦定律的应用却不容易。以静电效应为主的复印机，静电除尘、静电喇叭等，发明年代也在1960以后，距库伦定律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。──河中没水，不可能有水流；但电线中电荷为零，却仍然可以有电流！四、从伏特电池、安培定律到电报、电话：雷雨时的闪电，或莱顿瓶的火花放电，都是瞬间的事。电虽然在动，但是太快了，很难去研究电流的效果。电池可以供应长时间的电流（直流电）。因此，电池的发明是电磁学上的大事。──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶。十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。当时也没有什么保护生态观念，殖民地出产的珍禽异兽，一股脑捉回家去。亚马逊河出产一种电鱼，能发出瞬间强电，电晕小动物。当然，电鱼也被捉回了欧洲。这引起了不少人研究「动物电」的兴趣，也就是动物的身体如何发电。1780年，意大利波隆大学教授加凡尼（LuigiGalvani,1737-1789）发现了用电击死蛙之腿，可引起抽动。而蛙腿夹在不同金属（如铜、锌）间则可发出电来。与他认为这是「动物电」效果。1793年，加凡尼的朋友，比萨大学教授伏特(AlexandroG.A.A.Volta,1745-1827)把一块锌板，一块铜板放到舌头上下，而用铜丝将两板连结，他发觉舌头会感到咸味，而铜丝中有电流现象（如:可使蛙腿抽动）。但不久他发觉这与「动物电」无干，因为若不用舌头，而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间，也可生电流。而且，如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…，会得到更明显的电流(蛙腿抽动不止)。──这就是最早（如果不算巴比伦）的电池(碱性电池)。有了稳定的电源，电流的研究与应用才能展开。电压单位伏特(volt)就是因纪念他的功劳而命名的。这种「伏特堆」(Voltaicpile)，很快被人仿效，越做越大(可以表演连续火花)，以后又有人加以改良，越做越精致。──直到现在，改良电池还是一门专业的学问。在伏特电池发明后没多久，就有人发现电流可以从溶液中通过。1800年，英国WilliamNicholson(1753-1815)与AnthonyCarlisle(1768-1840)，发现了电解现象，例如水可以被通过的电流被分解为氢与氧。此为电在化合中作用之线索，亦为电解、电镀之原理。但是把电镀技术改善到可以应用，则要到1835年的德国人西门子（ErnstW.Siemens，1816-1892，其弟William,后来成为英国爵士，兄弟创办「西门子」公司，至今尚存。）──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的，实在令人惊叹。然而，怎样「定量」(测定电流的大小)，还是不容易，当时有人想了各种方法（如利用电线之发热），又难又不准。电与磁之间，很早便被认为有些关连。记载中，有一间铁铺被雷电击中，铺中铁器都生了磁性。十八世纪以后，很多人在研究放电现象时，都注意到附近的磁针会动。1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯