电学发展史-静电和闪电

2019年6月1日 FireSu 1661  0  0
人们对电的认知经历了大约500年,经历了静电场,电磁理论,半导体与通信三个阶段。要掌握电学,就必须了解它的前世今生,去了解它出现的意义是什么?

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如今电子产品的应用已经非常的广泛,但是电学的历史却神奇,漫长又有趣。电学的发展至今已接近500年,理论知识如今也纷繁复杂。过去的500年,似乎可以分成如下三个阶段:静电场研究阶段,电磁研究阶段,半导体和通信技术研究阶段。

电为何物?

公元1600年前,人们说到“电”想到的都是“静电”?如果你非要问他们什么是电?他们会告诉你:摩擦,摩擦,摩擦摩擦起电的现象在当时被看成与磁石吸铁一样,是物质具有的性质,除此之外,电学并没有什么别的重大发现。

1600年,英国物理学家吉伯做了这么一个有趣的实验:用摩擦过的琥珀靠近可旋转的金属细棒时,金属细棒可转动指向琥珀。但是他未细作研究,不久后,马德堡的盖利克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,可产生静电,发明了第一台摩擦起电机,开启了科学家研究静电领域的序幕。

1729年,英国的格雷发现摩擦过的玻璃所带的电可以转移到木塞上,再经细绳传到20米以外的骨质小球。他还让一个小孩做人体带电实验。他用丝绳把小孩吊在顶篷下,在小孩身下放许多轻质物体,例如羽毛之类。然后将摩擦过的玻璃管接触小孩腿部,结果小孩的手和头部都能吸引羽毛。格雷通过实验,发现了电的传导性,而且分清了导体与绝缘体。首次出现了导体和绝缘体的概念。

1733年,迪费通过研究静电,得出了静电领域的经典结论:带相同电的物体互相排斥;带不同电的物体彼此吸引。即同性相斥,异性相吸。

1745年,莱顿瓶的发明,把电学的研究推上了一个台阶。最开始,德国的克莱斯特做了一个实验。他用铁钉把电通到窄口药瓶中,瓶中盛水,瓶子与其他物体绝缘。原来他是想把电存在水中。当他用铁钉将瓶内的水和外界接通时,出现了强烈的放电现象。克莱斯特非常高兴,他把这一发现写信告诉了好几位友人,但是友人都回信说重复做了实验却没有能够得到同样的结果,原来克莱斯特在信中少说了一句话:实验者在用钉子通电时,要手持瓶子的外表面,人站在地上(注:也就是说,瓶子的外表面必须接地!)。由于这个原因,克莱斯特的发明没有引起人们的注意。与此同时,另外有一位科学家在荷兰也做了类似的实验。他是莱顿大学物理学教授穆欣布罗克。他把金属枪管悬挂在空中,与起电机连接,另外从枪管引出一根铜线,浸入盛水的玻璃瓶中,让助手一只手拿着玻璃瓶,穆欣布罗克在一旁摇摩擦起电机。正在这时,助手无意识地将另一只手碰到枪管,顿时感到电击。叫了起来:“Oh My God!”。于是,换助手摇起电机,穆欣布罗克自己来拿瓶子,当他一只手碰到枪管时,果然也遭到强烈的电击。穆欣布罗克不久在给友人的信中写道:“蒙上帝怜悯,我才免于一死。以后哪怕让我当国王,我都不去摸那破枪管了。”信中他详细描述了实验的条件,所用器材和人的姿势。写得如此真切,令有冒险精神的读者无不跃跃欲试。后来这封信公开发表,许多人重复了莱顿的实验,莱顿瓶也由此得名。莱顿瓶首次实现了人类对电荷的收集,是电容的雏形。

1747年,富兰克林对电学做了很多研究,使得人们对电的认知更加丰富。他提出:电,来自于物质本体,和水流一样,通过摩擦,电只能转移,不能被创造。这就是电荷守恒定律。摩擦时,物体获得的电叫做正电,物体失去的电叫做负电,两物体接触时的放电现象,让物体带电重新归零,电荷的概念出现了。

1749年富兰克林做了有名的风筝雷击实验,证明了闪电是一种放电现象。这个大胆的实验引发了无数人的崇敬,富兰克林甚至因此被赞誉为现代普罗米修斯。该实验不仅在美国有很大的影响,而且影响到世界其他国家。1753年,俄国科学家里希曼在屋顶上装了一根导线通到实验室,想用验电器来观察雷电现象。那时正逢雷雨交加,一个火球从上面传了下来,结果里希曼遭雷击死亡,富兰克林的风筝实验,足以让后续每个科学家避免这种无谓的牺牲,也为避雷针的应用打好了基础。

1766年开始,科学家展开了电荷相互作用的研究。英国科学家普利斯特利猜测电荷之间的作用有可能与地球吸引月亮一样,与万有引力有相似的规律。这位科学家的一生可谓传奇,他是通过自学成才而当选为皇家科学院院士的,非常励志。

1769年,鲁滨逊通过实验,第一次测定了两个电荷之间的相互作用力与距离的二次方成反比。

1773年,卡文迪许设计了扭秤实验,精确地验证了电荷之间的相互作用力与距离的二次方成反比,卡文迪许的实验是近代精确验证电力定律的雏形。

1785年,库伦也设计了扭秤实验,虽然实验结果没有卡文迪许得到的精确,但是库伦系统的整理了电荷的相互作用力的研究,得到:两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比,与它们的电量乘积成正比。公式:F=k*(q1*q2)/r^2,证明了电荷之间的作用于万有引力定律有神秘的关联。库伦定律的推出,从此让电学的研究进入科学行列,库伦也成为电荷量的单位。

16001785年这200年间,电学研究的主要成果是:人类能制造静电,并且用莱顿瓶收集静电(最早的电容),同时认识到“闪电”的本质,但此时还没有电量、电压、电流、电阻这些概念,也没有实用的电子产品,电学的研究被束缚在静电领域。而1786年之后,电学的发展升华了一个阶段,为我们现在电子产品的应用打下了夯实的基础。

 

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