人类认识电的历史

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人类认识电的历史

信息来自：https://market.cloud.edu.tw/content/junior/phy_chem/ty_lk/si · 作者： · 日期：09-02-2017

纪元前六世纪

Miletus

有史以来，最早认识电的人是希腊学者Miletus(纪元前六世纪)，观察用布摩擦琥珀后，会吸引如羽毛等轻小的东西。但对静电有系统及科学的研究则是始于17世纪。

十七世纪

William Gilbert

1600年初英人医生William Gilbert(1540～1603)所著的书中，指出此类因两物摩擦所生的力和磁石(Lodestone)所产生的力完全不同。磁石只吸引铁类的物质，而两物摩擦所生的力会吸引各种轻小的物体。而且它也发现除了琥珀之外上有硫磺、玻璃、松脂等亦可藉和其他物质摩擦而声电。因此Gilbert将物质分为两类，和琥珀相似的称为Electrica(由希腊语"Electrica"或拉丁语Electrum来)及非Electrica两类。

Stephen Gray

英人Stephen Gray(1696～1736)发现了某些物质可以由一端传电到另一端(因此由此类可导电物体的一端产生静电，则此静电可传播分布至物体各处，使该物全体都有带“电”的性质)。因此物质可分为导电的(导体)及不导电的(绝缘体)两类。当时已知除了金属外，人体亦是导体。

Charles du Fay

法人Charles du Fay可说是当时深入探讨静电现象的第一人，它由众多的实验中发现，几乎所有的物质都可以摩擦生电，有此推翻了Gilbert的想法：物质可分为“可生电的”(Electrica)及“不可生电的”(非Electrica)两类。并且它更仔细的发现，所产生的电有两种，带有异种电者会互相吸引，带有同种电者会互相排斥。他称这两种电为“像琥珀所生的电”(resinous)和“像玻璃所生的电”(vitreous)。他更进一步想用“二流体学说”来说明已知的静电现象。

十八世纪

富兰克林

除了欧洲的静电学发展外，当时被认为是“殖民地”的美洲亦有很大的贡献。这是以富兰克林(1706～1790)为首的一群爱好科学的美国人努力的结果。富兰克林年轻时只是一位印刷厂的徒弟。但此后他不只在外交及政治上发挥了才能，在物理学的研究上也完成了大业。

他在40岁左右时在Boston，有机会参观了一位由Scotland来的科学家做若干的实验，使他印象深刻。回到费城后，转由他在费城图书馆的朋友接到英国皇家学会(即英国科学会)会员的伦敦商人Peter Collinson，送来的一支玻璃管以及如何用他来做静电实验的说明书。这些礼物更加鼓舞了富兰克林的好奇心，而开始他有关电的研究历程。1747年3月28日他写了一封给Collinson，先谢他所送的玻璃管(他称它为“电气管”)，并且描述他自己“从来没有如此专心的做研究，且花了从来没有过的长时间”。1747年3月11日给Collinson的信中描述尖的物体比其他形状优于“因出电气的火”也能“投出电气的火”。虽然其他学者也发现过类似的现象，但他是将此后世被称为“尖端放电”的现象加以强调，并且将他运用制造避雷针的第一人。在同一封信中他以提出了他对“一流体说”的看法，并且首先使用正、负来描述不同的电。

1748年他退出了出版业，把他的印刷业等卖掉，并专心做科学研究。1749年写信给Collinson的信中说明，他在不好做电研究的夏天来临前将此研究结束(夏天的湿度高，因此不容易做电的实验)，然而雷的问题开始引起他的注意。在此之前，一班相信雷是因为天上的瓦斯爆炸所引起的现象，至于何种瓦斯会引起此爆炸却没有定论。1737年前后富兰克林亦相信雷是因空气中稀薄的硫所引起的爆炸，然而1749初夏他提出雷是放电现象的理论，并建议一大胆的实验计画。这些事实在他同年11月7日的笔记中有说明，“电气流有下列性质：(1)会发光，(2)发光的颜色为特有，(3)放电的轨迹会弯曲，(4)放电的速度很快，(5)金属会导电，(6)爆炸时产生特有的声音，(7)可留在冰及水中，(8)放电通过的路程会使物质裂开，(9)可电死动物，(10)可熔金属，(11)使不燃性物质烧起来，(12)有硫磺的臭味。”他接着提出问题：“由于这些性质和雷的性质一致，因此雷会不会像存在云中的电一样可以由尖端‘放掉’所储存的电？”然后他写了如下的实验建议，想利用尖端作用把雷光拉到地面上来。他的计划是“做一个像哨兵用的小屋，其大小为可供一人站在电气台(及静电用的实验台)上的程度(如图一)。将他放在高塔是的尖塔上，由电气台中央引出上端磨尖的铁棒，并在屋外往上伸2～30呎。当低的云通过此屋上时，此棒的尖端会引入云上的电，使人代电而发生火花。假如利用上述方法可证明雷可以用尖端引下来，尖端有如此功能的知识将可以保护居屋、教堂及船只免受雷击。”1750年7月他将此内容写给Collinson。而Collinson就将他的信提到皇家协会报告，并将他的信出版。这些论文不只引起了协会会员的惊讶及注意整个欧洲的科学家也很注意此论文，并且有很多人想尝试此实验。

图一

富兰克林即想尽办法实现这实验(包括发行彩卷)，但得不到如意的协助。一方面法国的科学家受法王的补助做实验，在1752年5月10日看守此实验室的士兵看到了放电。实验的成功轰动了全世界，而接著有很多地方追试实验。富兰克林本身却觉得此实验不够完整来证明电，他就进一步想出一个新点子，这就是使他成名的利用风筝“引雷下来”的实验。他在给Collinson的信中说：“用两只小木片缚成十字架风筝的骨架，再用丝的手帕缚在骨架四端即成风筝。并在风筝上端系住一尖头的铁丝，风筝线的另一端用绢丝连结，在连接处挂一把钥匙。”他带着儿子两人到荒野，为了避雨就由临时的小屋内放风筝。当雷电通过时，很兴奋地期待，但一周过后，仍没有什么变化，而快到绝望时，忽然看到丝上的纤维张直。他就用手指靠近钥匙，果然产生了强的火花。他就将莱顿瓶接到钥匙，充了更多电后做放电的实验。由此实验，终于证明了雷就是电。在1752年9月的信中，他描述在他家立了一根铁棒，并结两个铃，使其带电会响。利用此装置做了很多次实验，并得到“大多数的雷云是带负电”结论。当然有很多追试的实验，也发生了实验学者受电击而死的事故。

1754年在欧洲的教堂上立了第一支避雷针。然而美国在1760年才由富兰克林建了（费城的）第一支避雷针，直到1782年，费城的避雷针才超过400支。

Henry Cavendish与Charles Augustin de Coulomb

英国的Henry Cavendish（1731～1810）及法国的Charles Augustin de Coulomb（库仑）（1736～1806）对电的作用力有精密的实验而得到所谓的库仑定律。由于Cavendish没有发表任何论文，因此直到一世纪后由Maxwell将Cavendish在1771～1781年所写的实验记录发表才被人知道他的功劳。Maxwell说明Cavendish比其他人先做成功了差不多所有重要的静电实验。

起初Coulomb是在研究头发及金属线的扭转弹性，因此发明了极灵敏的扭转天平。天平的主要部份是（如图二）利用头发或细的金属线等吊一支两端有小金属球（A，A'）的细棒AA'。吊棒的线上固定一小镜M，Coulomb的实验即将小球A，A'带电，并靠近另两个带电的金属球BB'。由于AB及A'B'所带的电的互相作用，小棒就受到扭力，使其吊小棒的线扭转，线被扭转的角度和扭力成正比，扭脚及利用线上镜子的反射光的夹角来决定。因为他的灵敏度很高，可量出微小的力的大小。当时牛顿的万有引力定律已发表一时，Coulomb即用巧妙而精密的方法检验了电力和万有引力一样，具有和距离二次方程反比的定律。对于静电的基本认识可说由此完成，唯其机制及理论一直在进步，可说延伸到现代物理的基本核心问题──电力的由来和他力的关系，以及电力和其他各种力是否可以用更高一层的统一的真理来说明等等。另外一方面静电的研究要等到发现持续的电压源、电流磁力和电力互相作用的关系，以及持续变动的电磁场（电磁波）以后才得到今天增益人类的科技。

图二

早期对静电的看法

我们观察很多的类似现象后，进一步将他们综合，用更深一层的看法（或理论，或称为假设）来解释他，这些想法有时经过许多的实验验证而成为真理，有时能说明只是在某有限条件下的真理，但有时候和后来能证实的真理一比较是荒谬的，却对当时的社会起了一定的作用，同时也引起了此后更进一步了解真理时的一个基础。

现在已了解带电现象是因物体中含有多的电子，或减少电子而产生。然而人类对静电现象及其作用力也经过很多不同的想法。而演进至今，如上所述，第一个想将静电现象做统一说明的是法人de Fay。他所倡导的二流体说，可说是当时很先进而成功的学说，根据二流体说，物质中本来有同量的两种"vitreous"及"resinous"流体，物体间的摩擦使其中的一种流体被剥离，而产生电的现象。

Benjamin Franklin（1706～1790）认为，物体普遍含有一种要素（他称为“电气火”），而如果某物体的此要素比常态多或少皆会带电，而太多时和太少时电的性质就不一样，Franklin并进一步用正及负电来描述它。我们及称它为一流体说，此学说比二流体说可将电的现象说明的更为圆满。

不管一流体说也好，二流体说也好，两者都把电的现象当作存在物体中某些流体及物质为起因。静电的各种现象是因这些流体的超距作用（Action at Distance）所致。这种想法一持续到法拉第及Maxwell（1831～1879）的时代。

（本网页取材自国中理化教师手册第3册）

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