莱顿瓶

水能够被起电的发现，再加上想通过用非导体束缚电荷来保存电荷的愿望，大概促成了发现现在称为莱顿瓶的装置。在两个不同国家几乎同时各自独立地作出了这一发现。波美拉尼亚的牧师 E.G.冯·克莱斯特于 1745 年下半年首先偶然作出了这一发现。他做了一个实验，把一枚用起电机起电的铁钉插进他用手握着的一个小玻璃瓶中。当他的手还握着这小瓶的时候，他用另一只手触及铁钉，结果被强烈地击了一下。当在瓶中加入一些水银或酒精重复这一实验时，这电击更为强烈。关于冯·克莱斯特实验的最早记载见诸J.G.克吕格尔的《地球的历史》（Geschichteder Erde）（哈雷，1746 年）（Anhang von der Electricität，pp. 177—81，此处录引了冯·克莱斯特致克吕格尔的一封信）。最令冯·克莱斯特惊异的是，仅当用手握住小瓶时才获得电击。如果在起电后把瓶子放在一张桌子上，用一个手指去触及铁钉，则并不看到火花，只听到一种咝咝声；但是，如果这时再次把瓶子握在手里，并用这手指去触铁钉，那就会感受到明显的电击。冯·克莱斯特在利用一支废弃了的温度计的玻泡和部分管茎时，得到了最好的效果。这玻泡装一半水，一根金属丝侵入水中，其上部伸出管茎顶端并弯成直角，其终端系一个小铅球。此后不久，冯·克莱斯特把他的发现告诉了一些朋友，而格但斯克的格雷拉特和 J.H. 温克勒又从那些人碾转得知了此事，并改进了原始发明。1746 年 4 月，格雷拉特用多达二十人手拉手地构成的链给数个冯·克莱斯特瓶放电，那些人同时全都感到了电击。不论那些人站在地面上还是绝缘物上，也不论每个人是拉住另一个人的手还是握着接在相邻者身上的长金属丝端末，都得了同样结果。但是，当那些人臂挽着臂围成圆圈，或者他们用非导电物质联接时，实验便失败。格雷拉特注意到，构成这个电链的环节的人本身并没有起电。格雷拉特把几个冯·克莱斯特瓶并联而构成电池，发现在它们明显放电后，瓶中仍然存有“剩余电荷”。他用这种电池杀死了小鸟，他的医生朋友对这些小鸟进行了死后检验。格雷拉特说服了他的

一些朋友，让他们在一个实验中每人拿着一个冯·克莱斯特瓶，用一只手握住捏手去顶住一个起电机的原导体，而另一只手抓住一根短金属丝。然后，另有一人把所有这些金属丝的自由端都握在一只手中，并用另一只手去触原导体，结果他比参加实验的伙伴受到强得多的电击。为了避免这种试验中令人痛苦的电击，格雷拉特决定不再用人体作电路的构分。温克勒曾用一根链条把数个冯·克莱斯特瓶从外面捆在一起，并将之与一个导电桌相联，桌子上伸出一根金属棒，与原导体构成一个火花隙口，而瓶的捏手被施加于原导体。一当开动机器，火花隙上便出现电火花，百步之外仍可听到其声音。格雷拉特由之受到启发，遂将四个冯·克莱斯特瓶安装在金属承座中，每个承座都有单独的金属丝联接到原导体正下方的一个铜球。把瓶的捏手与原导体相连，当开动机器后，铜球与原导体之间就通过大量火花。（关于格雷拉特，参见 Versuche und Abhand- lungen der naturforschenden Gesellschaft in Danzig，I，1747，pp.506—34；关于温克勒，参见 Die Stärke der elektrischen Kraft des Wassers in gläsernen Gefässen，Leipzig， 1746。）

1746 年 1 月，勒麦向科学院报告了一封寄自莱顿的米欣布罗克的信。现将其主要部分摘译如下：“我要向您报告一个新鲜但可怖的实验，并奉劝您切莫亲自试验。⋯⋯现在我正在搞一些电力研究；为此，我用两根蓝丝绳悬吊一个铁枪筒 AB，枪筒接受从一个玻璃球传导来的电，玻璃球绕它的轴快速旋转，同时受到人手的摩擦。从枪筒的另一端 B 自由地悬一根黄铜丝，其端末浸入一个部分充水的圆玻璃容器 D 中。我用右手 F 拿着这玻璃容器，用左手 E 去引发已起电的枪筒发火花。突然，我的右手 F 受到强烈冲击，令我浑身战栗，就象遭到雷电轰击一般（图 104）。尽管容器

图 104──米欣布罗克的实验

的玻璃很薄，却照例没有破裂，而我的手在这阵骚动中也没有移动，但手臂乃至全身有着一种难以名状的可怖感受。总而言之，我觉得我要完了。“米欣布罗克接着解释说，尽管玻璃容器的形状如何似乎没有什么关系，但容器必须是用德国或波西米亚产玻璃制成的，否则不会产生这种效应；甚至荷兰玻璃也没有用。诺莱读过这封信后，隔了几天又收到了住在莱顿的物理学家阿拉曼的报告，它描绘的也是这个实验。可是，阿拉曼在后来写给诺莱的一封信中指出，第一个发现米欣布罗克信中所描绘的那种效应的人是莱顿的一个名叫库内乌斯的富有的业余科学家。（参见修道院院长诺莱的论文，载Mém.de l’Acad. Roy.des Sciences， Paris，1746，pp.1—23。）

诺莱和 L.G.勒莫尼埃没有理会米欣布罗克的警告，立即重复了莱顿实验。诺莱的实验成功了，用的是普通的法国玻璃容器，只要是干燥的就行。于是，他得出结论：在米欣布罗克的实验中，除了德国玻璃容器是干燥的而外，其他肯定都是潮湿的，这便解释了为什么用它们不能给出肯定结果的原

因。诺莱发现，水作为充入容器的液体最好，但其他液体（特别是水银）也可以，只要它们不含硫磺或油，甚至粉末或铁屑也可用。另外，容器必须是玻璃的或瓷质的；即使硫也不能用来代替它们。电击的强度似乎取决于容器的大小。在同一卷《备忘录》（pp.447—64）中，勒莫尼埃描述了他自己利用莱顿瓶所做的一些早期实验。这些实验主要是观察让瓶放电的结果，放电通过的电路由人手拉手形成的链构成，或者用链条或长金属丝联接而成，后者能通过潮湿草地或新挖的土地，或绕在树木上而不减损电击的力量。勒莫尼埃成功地让电击通过浸在古王宫和王家花园的湖泊中的两根金属丝之间的水。为了测定放电的传播速度，勒莫尼埃在一所卡尔特教团修道院的一个场院上设置了两根平行的长金属丝。一个观察者用两只手抓住金属丝的两个远端，而两个近端，连接到一个充了电的莱顿瓶的外部，另一个连接到莱顿瓶的球形头（图 105）。观察者判断电路闭合

图 105──勒莫尼埃的实验

后瓶上通过火花的时刻和他感到电击的时刻之间的时间间隔。但所有观察者都一致说，他们觉察不到这间隔。

整个欧洲立即对这些发现深感兴趣，许多业余爱好者都致力于电学实验。1747 年，威廉·沃森（1715—87）以及其他几位皇家学会会员成功地把电击传送过泰晤士河。他们让一个瓶通过一条外部线路放电，它包括一根跨过威斯特敏斯特桥的金属丝，通过三个操作者身体而完成，其中两人在河的两对岸把铁棒浸入水中，两者相距 400 码。当电路闭合时，三个人全都感到了电击，并发现，放电的强度足可点燃酒精。不久，在斯托克纽因顿进行了一次更大规模的类似实验（Phil.Trans.，1748，p.49）。

图 106──沃森设备布置的示意图

在莱顿瓶初期的各种改进中，有一种是沃森作出的。贝维斯已在瓶外面涂上一层箔；他甚至似乎已用涂有金属箔的玻璃片制成了电容器。沃森也在瓶的内壁类似地涂上了衬里，而且瓶子里不再充液体，这样，他实际上使瓶成为今天的式样（Phil.Trans.，1748，pp.92ff.）。他也是最早试图测定电在一根金属丝中传播速度的先驱之一。1748 年，沃森和皇家学会的其他一些会员在舒特山用长度超过 2 英里的一条线进行了实验，得到的结果是否定的。瓶 C（图 106）通过线路 CEFABD 放电。在线路 F 处接入的一个观察者发生痉挛性动作的时刻和远处火花隙A 通过一个火花的时刻间的时间间隔是觉察不出来的，这表明速度至少是很大的。欧洲各地以及富兰克林在美国很快重复了这些实验。

富兰克林谈到，他打算演示用传送过斯奎尔基尔河的电火花点燃酒精， “我们不久前做的这一实验使许多人大吃一惊” （ Experi-ments and Observations on Electricity，5th ed.，London，1774，p.37）。但是，

当有人建议测量一个瓶通过一条主要由北美的江河溪流、甚至包括数百英里海洋构成的线路放电所花的时间时，富兰克林答复说，这样一个实验“仅仅表明，电流体在金属中极易运动；它决不能测定速度。”他用类比解释这一点：“如果〔一根〕管子注满了水，我又在一端再注进 1 英寸水，那末在同一时刻在另一端我挤出了等量的水。而在管子一端挤出的水并不是同时在另一端硬注入管子的水；只不过同时在运动罢了”（上引书，p.290）。

我们可以顺便提一下，在电学研究上涉猎广泛的沃森大约于 1750 年观

察了通过一根抽空的近 3 英尺长的玻璃管的发光放电。玻璃管的两端都由黄铜盖封住，通过盖子插进黄铜棒，铜棒的间距可以调节，而且其中有一根与一台起电机的原导体相连。他下结论说：一个导体之所以能累积起电荷，乃是因为有大气的存在（Phil.Trans.，1751，p.362）。查尔斯·卡文迪什勋爵观察到通过托里拆利真空放电的类似现象。电火花能够在部分真空中通过相当距离的事实早已为德累斯顿的格鲁默特所注意到（ Versuche u.Abhandl.d.naturf.Gesellschaft，Danzig，1747，p.417）。沃森的发现最后导致了盖斯勒管的发明，以及新近阴极射线和 X 射线的发现。今天，北极光也被解释为因通过地球的稀薄大气层放电所致。

人们注意到，冯·克莱斯特瓶（更为人知的名称是莱顿瓶）在外部绝缘时能够将电荷保留更长时间，但在这种环境条件下它不能再获得电荷（L.G. 勒莫尼埃，Mém.del’Acad.Roy.desSc.，1746，pp.447f.）。第一个对这些性质以及一般地对莱顿瓶的工作原理作出明确解释的人是富兰克林。然而，他关于电的本性的理论应当首先加以研讨。