电学发展史-电灯出现了

2019年6月1日 FireSu 1200  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?

本文来自每日硬知识。微信搜索或者点击每日硬知识,可关注公众号,精彩笔记与你分享。

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。

电学简史之二-电磁研究阶段

1786年的一天,意大利解剖学教授伽伐尼和他的妻子正在实验室解剖青蛙,他熟练地切开青蛙,剥出神经,又用黄铜小钩将青蛙挂在上面,随手递给妻子,要求妻子将青蛙挂起来。当妻子把黄铜小勾挂在铁棍上时,死去的青蛙竟然在不断伸腿,吓得妻子魂不守舍,以为青蛙冤魂附体。伽伐尼陷入了沉思,随后他用同样的手段再次挂起5只青蛙,死去的青蛙们都开始蹬腿。这时候,伽伐尼想起了德国哲学家谢林说的话,上帝如果给宇宙以灵魂,这灵魂是什么呢?是电。而再结合富兰克林等前辈们的经验,伽伐尼确认他发现了一种新的电,他称其为动物电。随后伽伐尼开始各地巡回演讲,展示他的新发现。

直到有一天,他遇到了一个叫伏特的人。此时的伏特已经研究了很多年的莱顿瓶,他对电学也深有研究。当他看到伽伐尼的表演时,心中充满好奇和不服。于是,他也捉了好多青蛙去做实验。(原来青蛙对人类的贡献才是最大的),不断实验后,伏特发现青蛙腿的抽动有一个必要条件,就是铜钩必须挂在铁棒上

所以,伏特向皇家学会投递了一份关于“伽伐尼发现动物电”的报告,坦言伽伐尼教授提出的“动物电的理论”是一种错误的理解,青蛙腿跳动不是青蛙产生了电,而是因为不同的金属接触产生了电流,刺激了神经,造成了蛙腿的跳动。

于是,伏特又开始了各地的巡回演讲,向人们展示他对动物电的理解。在伏特的一场演讲会上,伽伐尼教授让助手抓了一条伏特从未见过的活鱼,要求伏特摸一下。当伏特的手接触到鱼的时候,瞬间感觉全身酥麻,伏特深知他触电了,动物体内竟然真的有电?伽伐尼教授再次用实际行动向世人证明了他的动物电理论,他的表演,惊艳全场。而伏特倍受打击,发誓从此闭门不出,一定要重新研究电学理论。伽伐尼教授送给伏特的鱼,其实就是电鳗。

1793年,伏特经过7年的研究,发现如果将一个金属锌环放在一个铜环上(银环更好),再用一块浸透盐水的纸或尼绒环压上,再放上锌环,铜环,如此重复下去,10个、20个、30个叠成了一个柱状,便能产生了明显的电流,伏特成功地打造了世界上第一个电池模型 后人称之为伏特电堆或伏特柱。伏特通过实验发现,柱子叠的越高,电流就越强。伏特也首次提出了电位差理论,首次引入了“电压”概念。伏特的电堆发明,让伏特连续几年霸占着欧洲科学杂志的头条,也拉开了经典电学研究的序幕。

1801年,伏特展示了他过去几年的研究,他一个个并列的玻璃缸,里面放上稀酸,每个缸里放进铜片,对面放一块锌片,两个缸之间用导线相连,而形成一个整体。它产生的电流比那金属环叠起的伏特柱又大了很多。伏特把这装置接好后说:我们现在就可看到这样产生的电流,第一,它能将水分解。说着伏特将电池的两极插入水中,这时竟顺着极板的一边冒出了氢气,另一边冒出了氧气。这时台下的人不由喝起彩来。伏特接着说:第二,另一边还能从金属溶液里将金属重新捞出来。说着,伏特又将电极插入蓝色的铜矾水溶液中,一个电极上便很快出现一层红色的铜,而且那铜极纯,是人们平常很难见到的。伏特就这样津津有味地、一项一项地报告着他的新发现,台下的人也早就被他牵走了魂,会场上时而议论纷纷,惊叹不绝,时而又鸦雀无声。伏特完善了电池的模型,使得人类对电的研究跳出了静电场,后人为了纪念伏特,用伏特的名字作为电压的单位,简称伏(Voltage)。

1801年到1839年,越来越多的人喜欢研究伏特电池,从而完善了化学电池模型,此间,人们熟练掌握了化学电池的特性,掌握了电解效应,促生了新的工业科学---电镀。同时也发明了碳极电弧,开启了电灯照明的新篇章。

1811年,拉普拉斯在万有定律的基础上完善了静电学解析理论,静电学的研究暂时告一段路。而此时,虽然人们可以认为地产生电压和电流,但是理论知识并不完善,人们普遍认为电和磁是两种不同的东西,而量测电的方法也主很简陋,主要依靠摸、看气泡、舌头舔等原始的方法。

1820年,丹麦科学家奥斯特发现电流流过导线时,导线旁边的磁针发生了偏转,从而揭开了“电生磁”的序幕,为电动机的发明打下了理论基础。奥斯特的发现成功引起了安培的注意,安培做了一系列精妙的实验,分析得出了电流元之间的作用力规律,科学家首次展开了对电流的研究,人们为了纪念安培,把电流强度的单位用安培表示。

1825年,斯特金根据电生磁效应发明了电磁铁。

1826年,在“电生磁效应”发现不久之后,欧姆受傅里叶关于固体中热传导理论的启发,得出了电路中电流强度与电路中验电力成正比,提出了欧姆定律雏形。但是此时,人们对电压和电流的理论知识还不完善,而且能量守恒定律也为确立,所以验电力的概念很难被人们接受,验电力就是电阻概念的雏形。

1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应定律,发现闭合的线圈中磁通量发生变化时,线圈中出现了感应电动势,产生了电流。从而开启了“磁生电”的新篇章,为发电机的发明打下了理论基础。之后,他又发现了电解定律,磁光效应,解释了磁铁吸铁的理论知识,即物质的顺磁性和抗磁性,而且他首次用实验证明了电荷守恒定律。人们为了纪念法拉,把法拉用作电容的单位。

事实上,在1830年,时为纽约奥尔巴尼学院教授的亨利利用学院假期,进行着磁生电实验。亨利所作的实验是电磁感应现象非常直观的关键性实验,他的装置也实际上是一台变压器的雏形。但是,亨利做事谨慎,他没有急于发表他的实验成果,他还想再做一些实验。然而假期已过,他只得将这件事搁置一旁。后来他又进行了多次实验,直到1832年才将实验论文发表在《美国科学和艺术杂志》上。但是,在此以前,法拉第已经首先公布了他的电磁感应实验,介绍了他的实验装置。亨利虽然非常遗憾地与电磁感应现象的发现权和变压器的发明权擦肩而过,但他在电学上的贡献、对变压器发明的贡献则是有目共睹的。特别值得一提的是,亨利实验装置比法拉弟感应线圈更接近于现代通用的变压器。世人为了纪念亨利,把电感的单位用“亨利”来表示。感应线圈也是电感变压器的雏形。

1833年,高斯和韦博通过“电磁感应”现象,用一个按键控制电路中的电磁铁,制造了第一台简陋的单线电报。英国的巴拉迪在欧姆的研究基础上,发现硫化银的材料的电阻特性不同于金属导体,首次发现了半导体。

1837年,惠斯通和摩尔斯分别发明了电报机和莫斯电码,开启了电学通信的大门。此后电报正式开始应用在实际生活中。

1839年,法国的贝克莱尔发现半导体与电解质接触形成的结界处,光照的时候会产生一个电压,发现了后人熟知的光电效应。

1848年,基尔霍夫从能量的角度出发,澄清了电位差(电压),电动势,电场强度的概念,把欧姆定律和静电学概念协调了起来,创建了KVLKCL定律,建立了经典电学的基本模型。此时,经典电学的理论知识初步完善了。人们知道了电荷量就是电荷所带电量的总和,单位为库伦。人们定义电流为单位时间流过的电荷量,单位为安培。如果莱顿瓶中存储8库伦的电荷,通过某导线2s内均匀流完。我们就认为平均电流强度为4安培。而如果某导线电流强度为2安培(A,经过4s后,就传递了8库伦的电量。此时8库伦=2A*4s=8A*S=8000mA*s=8000/3600)(mA*H)。是不是很熟悉?在如今电子设备所有的电池上,我们都可以看到mAH这个单位来表征电池存储的电量。

1854年,法国电报学家比尔瑟提出用电传输声音的设想,但是因技术瓶颈未能实现。

1855年,汤姆逊解决了水下电缆信号输送速度慢的问题,提出了开尔文接法,类似于差分接法,广泛应用于PCB模拟信号布线中。

1860年,麦克斯韦结合法拉第,库伦等前辈们对电磁学的研究,首次用数学公式阐述了“电生磁,磁生电”的特性。推导出了著名的麦克斯韦方程组。该方程组向人们展示了“电”具有电磁波的特性,电是一种电磁波,同时麦克斯韦预言,光也是一种电磁波。为如今的无线通信打下了基础。

1861年,贝尔发明了电话,首次实现了声音的传送。

1866年,西门子发明了可供实用的自激发电机,实现了其他能量向电能的大规模转化,电气时代正式到来。

1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物材料导电竟然有方向性,从这头到那头是导通的,从那头到这头不导通。为后面的半导体发现埋下了伏笔。

1879年,霍尔发现了霍尔效应,定义了磁场与感应电压之间的关系。

1878年到1883年,爱迪生对灯泡工艺的改良,让电照明进入了家庭。同时爱迪生大力推广了直流电的应用。

1884年,尼古拉斯特斯拉正式受聘成为爱迪生公司的一员。

1885年,特斯拉提出可以重新设计爱迪生公司里的无效的直流发电机,爱迪生答应了并且表示如果能做出来,就给特斯拉五万美元。结果特斯拉成功之后,爱迪生说只是开了个美国式玩笑

1886年,特斯拉与爱迪生科学理念不合,特斯拉创办了自己的公司,开始研究交流电。与爱迪生成了最大的商业竞争对手。交流电的诞生,让世界为之一颤。我们都知道直流电的传输要克服电线线损,如果用户需要30V1A的电,若线路阻抗为5欧姆,电厂需要发送至少35V1A的电,线路越长,线路阻抗越大,需要的电压越高。但是交流电却不一样,交流电可以通过变压器将30V1A的电转化3000V0.01A的电,0.01A的电流在线路上损耗降低了100倍,所以交流电更适合远距离传输。

1888年,赫兹根据电容器和线圈的振荡特性,设计制作了电磁波源和电磁波检测器,通过实验检测到了电磁波,测定了电磁波的波速,并观察到电磁波和光波一样,具有反射等特性,从此之后,麦克斯韦的理论逐渐被人们所接受。

1890年,人类首次实现了电能的远距离传送,电动机在生产和交通方面得到了广泛使用,被称为第二次工业革命,人类正式进入了电气时代

1895年,俄国的波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传送。后来马可尼将赫兹的振子改进为竖直的天线;德国的布劳恩进一步将发射器分为两个振藕线路,为扩大信号传递范围创造了条件。

1896年,洛伦兹提出的电子论,将麦克斯韦方程组应用到微观领域,并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应。这样不仅可以解释物质的极化、磁化、导电等现象以及物质对光的吸收、散射和色散现象;而且还成功地说明了关于光谱在磁场中分裂的正常塞曼效应;此外,洛伦兹还根据电子论导出了关于运动介质中的光速公式,把麦克斯韦理论向前推进了一步。但是在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论体系中,假定了有一种特殊媒质以太存在,它是电磁波的荷载者,只有在以太参照系中,真空中光速才严格地与方向无关,麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立。这意味着电磁规律不符合相对性原理。

1901年,马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系。电子管的发明及其在线路中的应用,使得电磁波的发射和接收都成为易事,推动了无线电技术的发展,极大地改变了人类的生活。

1904年,英国科学家发明了第一个电子管。

1905年,爱因斯坦通过对电磁学进一步的研究,建立了狭义相对论,它改变了原来的观点,认定狭义相对论是物理学的一个基本原理,它否定了以太参照系的存在并修改了惯性参照系之间的时空变换关系,使得麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式有可能在所有惯性参照系中都成立。狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论,并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用。

1786年到1905年这150年里,世界正式进入了电气时代,科学家们发明了发电机,电动机,电话,电池,电灯,电报,交流电。让世界各地的人都有可能享受“电”带来的便捷。同时,电学理论也逐渐完善,人类可以用数学公式推导出电压、电势能、电量、电流、欧姆定律、KCLKVL,电磁理论,并使用这些理论来进行电的量测。

 

本站内容来自网上,如涉及作品内容、版权和其它问题,请在30日内与本网联系,我将在第一时间删除内容!

用户头像1
 
  2021-3-12
用户头像1
 
  2021-3-12
用户头像1
 
  2021-3-12
用户头像1
 
  2021-3-12
用户头像1
 
  2021-3-12
用户头像3
电学发展史-电灯出现了     
Copyright @ 2015 Fire.Su 版权所有陕ICP备19023440号