电的应用和发展

现代生活一点也离不开电。电灯、电视、电话、电冰箱、电梯等等，都要用电。现代工农业生产少不了电，现代科学技术离不开电，电的作用变得越来越大，它渗透到人类生活的每一个角落。对于人类来说，电是如此的重要，又是如此的神奇。

电学的起源在西方也出自古希腊。人工产生电（摩擦起电）的现象和磁石吸铁的现象，在西方最早都是由古希腊人发现的。在公元前 300 多年，古希腊人就发现了琥珀吸引小物体的现象和磁石吸铁的现象，而且还发现了铁经过磁化后也能吸引其他铁的现象。可以说，古希腊人的这些发现就是西方电磁学知识的开始。

在公元前数百年，古希腊人发现了琥珀吸引草屑的现象以及磁石吸铁和铁磁化后也能吸铁的现象。可是，在此后 1000 多年的时间，西方关于电和磁的知识，一直停滞不前，有关电的方面一直没有新的发现，因而电就没有被人类利用造福人类。

15 世纪末期，英国科学家吉伯最先对磁的现象和摩擦起电现象进行了系统的研究。获得了许多重要的发现，从而奠定了磁学的基础，并开创了研究电的领域，电才逐渐被人所了解、重视。

吉伯 1558 年入剑桥大学，1560 年获得学士学位，1564 年获硕士学位；后来学医，到 1569 年获得博士学位，此后可能到意大利留过学。后来定居在伦敦行医，到 1581 年已成为伦敦当时的名医之一。1581 年左右任皇家医学院的研究员，并教授医学，曾三次当选为学监，1600 年任院长。同年任伊丽莎白一世的御医。

吉伯在空余时间内，认真研究磁的现象和摩擦起电现象，他吸收了前人的研究成果并加以发扬光大。他是第一位用实验系统地研究自然现象的人。吉伯从当时的各种猜测、幻想和迷信中，提取出关于磁的现象的事实和规律，并使它成为一门科学。他的研究成果后来被总结在《磁石》一书里，这本书是磁学的奠基著作。

在《磁石》一书中，记载了吉伯许多研究成果。

他首先确立了琥珀的吸引和磁石的吸引是两种不同的现象。磁石不需要外来的激励，它本身具有吸引力；而琥珀则要经过摩擦，才会具有吸引力。磁石只吸引有磁性的物体，而摩擦过的琥珀则能吸引任何的物体。磁体间的吸引力不受中介物的影响；而电的吸引力则要受中介物的影响。磁石使小针沿确定的方向排列，而琥珀则把小物聚成无规则的一堆。琥珀能吸引小物体是因为它的周围有气体，如同空气是地球的气体一样，电体也有它自己的气体，这种气体是在它们被摩擦或激发时发射出来的。因为人们的感觉器官觉察不到这种气体，所以它应当是非常细微的。小物体被摩擦过的琥珀吸引，是因为小物体处在琥珀周围的这种气中。吉伯的研究成果为后人研究电打开了大门。

德国人古里克发明了摩擦起电机，在经过牛顿和豪克斯比的改进后，使人们才第一次对电有了较大的感性认识，为实验研究提供了电源，对电学的发展起了重要的作用。经过英国和德国科学家们的努力，摩擦起电机的效力和威力都有提高，并能够产生强大的火花，特别是能从人身上生出火花来，引起了世人的惊奇，促使人们对电的本质、物质结构以及雷电现象等进行探

索，从而促进了电学的发展。

由人工产生的新奇的电现象，引起了社会上的关注。18 世纪 40 年代的德国，整个社会都对电的现象感兴趣，普遍渴望获得电的知识。电学讲座成为广泛的要求，演示电的实验吸引了大量的观众，甚至大学上课时的电学演示实验，公众都挤进去看，以至达到把大学生挤出座位的地步。当时摩擦起电机市场销路很好，简单的仪器能产生惊人的现象，使许多并不想当科学家的人，出于好奇心，也买回去自己做实验，以资娱乐。这就大大普及了电学知识，为电学的进一步发展打下了最为广泛的群众基础。

穆欣布罗克，一位荷兰物理学家，鉴于带电体所带的电会逐渐消失，就想办法来保存电。他试图使玻璃瓶的水带电，有一次他在做这一实验时受到强烈的电击。法国物理学家诺勒对穆欣布罗克的这一发现很感兴趣，重做了他的实验，并作了一些改进，使储存的电更为强烈。诺勒把这种能蓄电的瓶子取名为“莱顿瓶”，并用它来作电击表演，影响巨大。

1746 年，诺勒在法国科学院的会议上演示了“莱顿瓶”的实验，并表演

给法国国王看。国王的 180 个卫兵手拉手，让“莱顿瓶”通过他们放电，卫兵们同时感受到电击，同时跳起。国王大为惊喜。“莱顿瓶”很快在科学界传开，在欧洲引起轰动，甚至影响到美国。美国的富兰克林称之为“穆欣布罗克的奇妙的瓶子”，他主动与穆欣布罗克通信，并且在 1761 年访问欧洲，还特地去拜访他。

“莱顿瓶”的出现，引起了当时欧洲科学家们的极大兴趣。许多人纷纷研究这种能储蓄电能的瓶子。很快就确定了瓶子越薄，它储存的电就越多；瓶子里接触面越大，储存的电也就越多。实际上这就是实验中发现的电容器的规律。

由于“莱顿瓶”能产生强烈的电击和火花，也引起了王公贵族和一般市民的兴趣，他们喜欢观看这个新奇的玩艺儿，并乐于亲身体验一下电的滋味。所以在当时的欧洲，时兴表演电学实验，不仅在实验室、集会厅表演，而且还在街头表演。有些人竟带着摩擦起电机和“莱顿瓶”以及一些简单的器具，四处表演，赚钱谋生。

在电学研究中，美国人富兰克林作出了很大贡献。富兰克林生于美国波士顿一个小商人家庭，他天资聪颖，成绩在班级名列前茅，但由于家里难以供应他受高等教育，学习不到一年，父亲便让他转入写算学校，以便日后好谋生。他 10 岁辍学，在家帮父亲做蜡烛和干杂活，两年后到哥哥的印刷所当合同工。他从小酷爱读书，这个工作使他有机会读到很多书。17 岁离开哥哥，独自到外地谋生，先后在费城和伦敦当了几年印刷工人。后来在费城从事印刷工业，刊行历书，出版杂志，创办报纸。1731 年在费城建立北美第一个公共图书馆。1744 年组织美洲哲学会，是美洲的第一个科学学会。

富兰克林从事电学研究，所取得的成就使他获得了世界性的荣誉。1749 年创建费城科学院，任主席。1751 年被选为州议会议员，以后连任多年。由于他在电学上的成就，1753 年获英国皇家学会的科普利奖。1756 年当选为英国皇家学会会员。1753 年到 1774 年任北美殖民地的副邮务部长。1757～1762 年派驻英国。美国独立战争期间参加反英斗争，当选为第二届大陆会议代表，参加起草《独立宣言》。1776 年到 1785 年出使法国，赢得了法国对美国的支持，为美国的独立做出了卓越的贡献。

富兰克林不仅是一位爱国者，而且还是一位杰出的科学家。他在电学方

面的研究，成果硕硕。1746 年，斯宾斯博士从苏格兰到美洲殖民地的波士顿，表演电学实验。富兰克林看到斯宾斯的表演后，感到极为新鲜，又惊又喜。他曾说：“在我回到费城后不久，我们的图书馆从皇家学会会员柯林孙先生那里收到一件赠品，是一根玻璃管，附有用以作实验的说明书。我乘机把我在波士顿所见到的实验重复好些次。由于多次的实验，使我对于从英国寄来的说明书中那些实验，能够不慌不忙地运用，另外，还加上了一些新的实验。因此在多次的实验中，我的屋子里继续客满，因为有许多人来看这些新的怪东西。为了我的朋友们的需要，我在玻璃厂中吹制同样的管子多件，于是他们就充分满足于自己之用了，我们终于有好几个实验者了。”

18 世纪 40 年代后期是电学蓬勃发展的时期。摩擦起电机和“莱顿瓶” 已经出现，研究电的专家，提出了各种电的理论，一些学术团体讨论电的问题，学术刊物上发表电的论文，还有人到处表演电学实验。但在美洲殖民地，电学研究还是空白。富兰克林可以说是一个拓荒者，他除了看到斯宾斯的一点表演和从柯林孙那里得到玻璃管等简单工具以及沃森的一些文章外，一切都靠自己开创。就是在这样的条件下，他全心投入电学研究。人心坚，铁石穿，不久他就作出了成绩，在有些方面，超过了欧洲同行。经过几年的努力，他终于取得了惊人的成绩，不仅为美洲取得了荣誉，而且也为人类做出了贡献。

富兰克林进行电荷守恒的实验。富兰克林认为：所有物体内都存在电火，当一个物体内电火的含量为普通股时，它便不呈现带电现象而是处在一种平衡的状态中。如果一个物体所含的电火超过了普通股，或少于普通股，那么物体就呈现带电状态。这就是“电荷守恒”定律。富兰克林还举例来证明电荷守恒规律。他认为：设有 A、B、C 三个人，原来都不带电，A 站在墙上，摩擦玻璃管，他身上的电火便跑到玻璃上去了；而他与普通股的交流被蜡切断了，他的身体不能马上获得补充。B（也站在墙上）用指关节靠近 A 的玻璃管，并沿着它移动，便从 A 的玻璃得到电火，而他与普通股的交流也被切断了，所以他便保存了多余的量。对于站在地板上的 C 来说，A 和 B 都是带电的。由于他只有中等的电火量，所以他靠近过量的 B 时，便收到一个火花。如果 A 和 B 彼此接近，因为他们的差别比较大，火花便强些。在这样接触后，由于电火已恢复到原有的量，他们中任何一个与 C 之间便不会出现火花。如果他们在带电时接触，相等性永远不会被破坏，火花是在流通。在实验过程中，他是用火花的强度来判断电量的多少。电不因为摩擦玻璃而产生，它只是从摩擦者转移到玻璃上，摩擦者失去的电与玻璃得到的电严格相等。

富兰克林把含电火量超过普通股的物体叫做带正电，关于普通股的物体叫做带负电。但他也明确指出，这种名称带有猜想的含义，实际上并不能断定究竟是哪种电与物体所含的电火量超过普通股相对应。他规定的“正电” 相当于迪费的“玻璃电”，“负电”相当于迪费的“树脂电”。“莱顿瓶” 内部带正电而外部带负电，这两种电“在这个奇妙的瓶子中联合着和平衡着！以一种我决不能理解的方式彼此相处着和关联着！”他发现，“当一个物体带正电时，它便排斥带正电的羽毛或软木小球。当它带负电时，便吸引它们。” 这就是同性相斥，异性相吸。

富兰克林还研究雷电现象，试图揭开雷电的奥秘，让雷电为人类所用。在这方面，他比同时代任何人做的贡献都大。自从人类发明摩擦起电产生的电火花之后，由于电火花和闪电有很多相似之处，便有人联想到电火花和闪

电是同一回事。18 世纪初，豪克斯比就曾把摩擦起电产生的火花比作闪电； 1720 年格雷认为电火花和闪电是同一性质的东西；1746 年诺勒进一步指出它们的相同性，还有其他人也发表过这种看法。但是，这都是猜想，而不是实验证明的事实。

富兰克林开始作电学试验后不久，根据他所观察到的现象，也认为闪电和电火花是同一种东西，他更想到闪电是带电的云的大量放电所致。

1752 年夏天，富兰克林听到法国人成功地实现了岗亭实验，并且由著名科学家表演给国王看，他非常高兴。但是，他仍不满足，他觉得法国人的铁杆不够高，离云层还差很远，火花只能表明铁杆带电，并不一定能证明这电是从闪电而来的。

经过长期的观察和思考，富兰克林想到一个好主意：他用风筝把雷电直接引来做实验。于是，他用丝手帕做成风筝，在风筝上安有尖端的导线，放风筝用的线是双股线，线的下端系上一条丝带和一把钥匙。丝带是为了绝缘用，放风筝时，手拿着丝带，以免电通过人身造成伤害。钥匙是导体，以备引出电来。这就是富兰克林做的用来引雷电的风筝。

1752 年，富兰克林带着特别的风筝和“莱顿瓶”，来到费城的广场上，做一个非常危险的历史性的试验。这试验成功与否，将对人类社会产生极大的影响。此时，暴风雨来临，雷电交加。富兰克林把风筝放入闪电的云层中，一道闪电来时，他突然看到，线上蓬松的小纤维都伸张开来；他把他的指关节靠近钥匙，立即出现火花。几经试验，都是如此，他使“莱顿瓶”充电，然后用普通方法让它放电，所产生的效果与摩擦电产生的效果完全相同。这就是著名的富兰克林风筝实验。它彻底揭开了雷电神秘的面纱，显示了雷电的本质，是人类认识自然史上的一个划时代的进展。

富兰克林发明了避雷针。1747 年富兰克林向英国皇家学会会员柯林孙报告了“尖端物体在排除电火花和放出电火花两方面的奇妙效应”。尽管在此之前，欧洲早已有人观察到并描述过这种现象，但富兰克林却是自己发现的，并且在这个基础上继续前进，他使小炮弹带电，并用丝线吊一小块软木靠近它，软木被吸引与炮弹接触后便被排斥到数英寸远并静止在那里。当他拿一根针的尖端靠近炮弹时，他发现软木块又落向炮弹。他说，这根小金属针似乎从铁中取走了电。他观察到，在黑暗中，尖端的火就象萤火虫那样。富兰克林发明了避雷针，有利于人类安全避开大自然的雷电危害。

富兰克林在电学研究上成绩很大，他开辟了一些电学研究的新领域，为后来电学的发展和利用作出了不可磨灭的贡献。在他之后不久，英国科学家法拉第在电学方面又作出了新贡献。

法拉第出生于英国的一个贫寒的家庭，小时候，他没有机会上学。他自己后来说：“1804 年我 13 岁时，进入一家售书兼装订书的书店，在那里呆了 8 年，主要时间是装订书籍。我就是在工作之余，从这些书中找到了我的哲学。这些书中有两本特别对我有帮助，一本是《大英百科全书》，我从它第一次得到了电的概念；另一本是马塞夫人的《化学谈话》，它给了我这门科学的基础。”他甚至省吃俭用，买点器具自己做简单的化学和电学试验。法拉第在实验室工作了近 50 年，在电磁学、光学和化学的领域里都做出

了许多极为重要的贡献。

为了纪念他对电磁学做出的贡献，1881 年在巴黎召开的第一届电学会议决定，用他的姓氏作为电容的单位。

奥斯特公布了他发现电流磁效应的消息，法拉弟得知后受到很大启发。他想，既然电能够产生磁，反过来，磁也能产生电。刚开始，他企图从静止的磁力对导线或线圈的作用中产生电流，但是各种努力都失败了。经过近 10 年的努力，他终于发现，一个通电线圈的磁力虽然不能在另一个线圈中引起电流，但是当通电线圈的电流刚接通或中断的时候，另一个线圈中的电流指针有微小偏转。法拉第心明眼亮，经过反复做实验，都证实了当磁作用力发生变化的时候，另一个线圈就有电流产生。他又设计了各种各样的实验，比如两个线圈发生相对运动，磁作用力的变化同样也能产生电流。这样，法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。法拉第这个发现，意义重大，他扫除了探索电磁本质道路上的障碍，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。这为人类利用电能奠定了基础。

经过很长时间的探索和研究，法拉第发明了电动机，这为人类利用电揭开了新的一页。1821 年，渥拉斯顿在英国皇家研究院尝试把磁棒靠近载流导线，想使导线绕轴转动。这次试验尽管没有成功，却引起了法拉第的极大兴趣。他下决心去研究它。法拉第经过多次实验终于使导线通有电流时，使绕磁棒不停地转动，这是电动机的雏形。法拉第的实验引起了欧洲各国科学家的注意，纷纷重复他的实验。这样，经过许多人的改进，几十年后，就出现了各种实用的电动机。

法拉第不仅发明了电动机，还发明了发电机。1831 年法拉第发明圆盘发电机。这个圆盘发电机，结构虽然简单，但它却是人类创造出的第一个发电机。继法拉第之后，很多人都投入到发电机的研究。1866 年左右出现了商用直流发电机，1891 年左右，就出现了三相交流发电机，开始了人类全面利用电力的时代。法拉第发明的发电机从此把人们从“黑暗”中解脱出来。

到 19 世纪 30 年代，已发明的电有五种：摩擦产生的电，动物电、伏打电、温差电和电磁感应产生的电。1833 年，法拉第对上述五种电作了全面的系统研究。他说：“运动中的电或电流的效应可以认为表现于：1.发热；2. 磁现象；3.化学分解；4.生理现象；5.火花。我的主要目的是通过比较所产生的这些效应来比较不同的电。”他经过实验，得出结果：伏打电、普通电、磁电三者都能产生上述五种效应；动物电能产生生理效应、化学效应和磁学效应；温差电能产生生理效应和磁效应。法拉第认为，动物电和温差电没有产生所有效应，只是因为那些效应很微弱，有待于它们的强度提高。最后他得出的结论：“电，不论其来源如何，或产生的方式如何变化，在性质上都是完全相同的。”无疑，法拉第这些观点是很正确的。

法拉第除了发明电动机和发电机外，他还概括别人和自己的实验经验，发现了电解定律。1833 年法拉第从大量的电解实验中总结出：“受电流作用时，分解的量准确地与通过的电量成正比。”“电流的化学能力与通过的绝对电量成正比。”“电化当量与普通的化学当量一致，并且是相同的。”这就是电解定理的来源。此外，法拉第在这开创性的工作中，引入了许多新概念和名词；一直沿用到今天。

法拉第在电学研究和电学方面的贡献还不止这些。他还用实验证明了电荷守恒定律，提出电介质的概念和发现磁致旋光效应。在 1843 年，法拉第在

《哲学杂志》上发表了《论静电感应作用》，介绍他用冰桶做的实验和得出的结论。一个不带电的绝缘金属球壳，其内部有千千万万个带电的小物体或粒子，则它们在球外面的感应能力等于它们所有的电荷都放在球壳上所产生

的感应能力。

1837 年，法拉第发表了《论感应》一文，1838 年初，发表了续篇。他认为静电感应作用不是超距作用，而是要通过中介物质起作用。他提出在静电感应作用下物质极化的模型，用以说明各种静电现象。

法拉第把绝缘媒质叫作“电介质”。他发现，把电介质放入电容器两极板之间，可以增大电容。他把放入介质后的电容与未放入时的电容之比叫作该介质的电容率，今天称之为电介常数。

通过实验，法拉第还得出：光的振动面旋转的角度与光通过的物质的厚度成正比，与磁力线的厚度成正比；振动面旋转的方向与磁力线成右旋关系，而与光线的进行方向无关，这就是有名的磁致旋光效应。

富兰克林、法拉第等为电的广泛研究和利用奠定了坚实的基础，从而为人类利用电能打开了一扇窗户。人们永远不会忘记他们对人类所做出的巨大贡献。