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电磁学之发展与世界之电化电子学论文

2016-06-21 14:27:09 来源:

先决定电流单位「安培」(理由见后),再以一安培之电流一秒中的累计量

为一「库伦」,再间接决定这「若干」=9×109牛顿。

(4) 这9×109牛顿,相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。虽然也可以说一库伦的电荷太大,但无论如何,正负电相消的趋势是很强的。日常的物体中,虽然电荷很多,但几乎都抵消的干干净净,呈现电中性的状态。必须花功夫(如摩擦)才能使其呈现带电状。而且,一不小必就又跑去中和掉,所以难以驾驭。

因此,虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准,单独的库伦定律的应用却不容易。以静电效应为主的复印机,静电除尘、静电喇叭等,发明年代也在1960以后,距库伦定律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器,绝大部份都靠电流,而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。也就是说,正负电仍是抵消,但相互移动。──河中没水,不可能有水流;但电线中电荷为零,却仍然可以有电流!


四、从伏特电池、安培定律到电报、电话:

雷雨时的闪电,或莱顿瓶的火花放电,都是瞬间的事。电虽然在动,但是太快了,很难去研究电流的效果。电池可以供应长时间的电流(直流电)。因此,电池的发明是电磁学上的大事。──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶。

十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。当时也没有什么保护生态观念,殖民地出产的珍禽异兽,一股脑捉回家去。亚马逊河出产一种电鱼,能发出瞬间强电,电晕小动物。当然,电鱼也被捉回了欧洲。这引起了不少人研究「动物电」的兴趣,也就是动物的身体如何发电。1780年,意大利波隆大学教授加凡尼(Luigi Galvani, 1737 - 1789 )发现了用电击死蛙之腿,可引起抽动。而蛙腿夹在不同金属(如铜、锌)间则可发出电来。与他认为这是「动物电」效果。

1793年,加凡尼的朋友,比萨大学教授伏特(Alexandro G.A.A. Volta, 1745 -1827)把一块锌板,一块铜板放到舌头上下,而用铜丝将两板连结,他发觉舌头会感到咸味,而铜丝中有电流现象(如: 可使蛙腿抽动)。但不久他发觉这与「动物电」无干,因为若不用舌头,而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间,也可生电流。而且,如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…,会得到更明  显的电流(蛙腿抽动不止)。──这就是最早(如果不算巴比伦)的电池(碱性电池)。有了稳定的电源,电流的研究与应用才能展开。电压单位伏特(volt) 就是因纪念他的功劳而命名的。

这种「伏特堆」(Voltaic pile),很快被人仿效,越做越大(可以表演连续火花),以后又有人加以改良,越做越精致。──直到现在,改良电池还是一门专业的学问。

在伏特电池发明后没多久,就有人发现电流可以从溶液中通过。1800年,英国William Nicholson (1753-1815) 与Anthony Carlisle (1768-1840),发现了电解现象,例如水可以被通过的电流被分解为氢与氧。此为电在化合中作用之线索,亦为电解、电镀之原理。但是把电镀技术改善到可以应用,则要到1835年的德国人西门子(Ernst W. Siemens,1816-1892,其弟William, 后来成为英国爵士,兄弟创办「西门子」公司,至今尚存。)──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的,实在令人惊叹。

然而,怎样「定量」(测定电流的大小),还是不容易,当时有人想了各种方法(如利用电线之发热),又难又不准。

电与磁之间,很早便被认为有些关连。记载中,有一间铁铺被雷电击中,铺中铁器都生了磁性。十八世纪以后,很多人在研究放电现象时,都注意到附近的磁针会动。1820年,丹麦哥本哈根大学教授奥斯特(H. C. Oersted, 1777-1851) 在演讲时表演电流生热,发现一根导线中的电流,会使附近的磁针偏向垂直方向,也就是电流可以产生「磁力」;越大的电流,这种现象越明显,而且,这种现象,不受纸板间隔的影响。这发现立时引起了很多人的兴趣。不久,便有人把导线绕成很多重的「线圈」,只要很小的电流,就能产生很大的磁力。线圈电流固可使小磁针转动,但如果是一个固定的大磁铁,线圈也会反向而动。──同年,德国人Christoph Schweigger(1779-1850)与Johann C. Poggendorff,就用这方法制成电流计。从此,电流成为物理(或工业)中测定最方便的量之一。这也就是为什么在公制中,

先订电流单位「安培」,再订电量单位「库伦」之原因。

法国物理学家安培(Andre Marie Ampere, 1775-1836) 立刻想到:所有磁性的来源,或许都是电流。他在1820年,听到奥斯特实验结果之后,两个星期之内,便开始实验。五个月内,便证明了两根通电的导线之间也有吸力或斥力。这就是电磁学中第二个最重要的定理「安培定律」:

两根平行的长直导线中皆有电流,若电流方向相同,则相吸引。反之,则相斥。力之大小与两线之间距离成反比,与电流之大小成正比。

(安培也写下了两小段电流作用力之量化描述,可以计算各种形状的电流间之力。如今这称为比奥─沙伐定律。Jean-Baptiste Biot, 1774-1862, Felix Savart 1791- 1841两人与安培几乎同时进行类似的实验)。

公制中,用安培定律以定义电流单位「安培」:两个平行之同向同大小之电流,相距一公尺,若其相吸之力为2×10-7牛顿/公尺时,称之为一安培。这电流单位在使用上有其方便,例如一百瓦的电灯中的电流大约一安培。这2×10-7牛顿/公尺是很小的,故平常在两根电线中,相互之力不太容易察觉。──但做成线圈后,可以产生很大的力。

以后,安培又证实了通了电流的筒状线圈之磁性,与磁铁棒完全一样。故他提出假说:物质之磁性,皆是由物质内的电流而引起的。这使「磁性」成为「电流」的生成物。(这也解释了为什么磁铁没有单极的)。──他后来被誉为「电磁学」的始祖(电与磁从此在物理中是分不开的)。他的名字,也成了电流的单位。

安培早慧,但一生不幸。(童时亲见其父在法国大革命时上断头台,娶妻甚贤,但又早逝)。在听到Oersted 之发现后,立刻意识到电流与电流之间必有力在,洞察力惊人。

安培这个发现,在应用上极为重要。它提出了用电流而发出动力,使物体动起来的方法,准确而可靠。因此,它是电流计(以及各种电表)、电马达、电报,电话之原理。特别是电报,在1835年以后就成了新兴事业,大赚其钱。然而,在开始时,也有人对这些新玩意感到恐惧而抗拒。(例如:对电磁学也有贡献的大数学家高斯Karl F. Gauss, 177 7 - 1855。)──电报业风光了一百多年。时至今日,卫星通讯发达以后,电报业就没落了。

安培定律之后,电磁学理论与应用之发展可以说「风起云涌」。1825年,英William Strugeon (1783-1850)发明电磁铁,使这种作用力更方便有效。1826年,德University of Cologne的数学教授欧姆(George S. Ohm, 1789- 1854),发表了欧姆定律,厘清了电压、电流、电阻间的关系(V=iR)。这个定律是以后所有电路理论的开端。但他发现了欧姆定律后,反而被攻击而辞职,失业了好几年后他才另外找到工作。电流消耗能量的关系式,则要到1839 年,才被英国的焦耳(James Prescott Joule, 1818-69)确定(焦耳定律P=i2R)。这成为以后电力买卖的计价基础。

十九世纪的美国,挟其地大物博之优势,发展极快。美国人好新奇,敢冒险,在电器的发明上,领先全世界。美国人亨利(Joseph Henry, 1799-1878),原在一个乡下学校教书,并做研究(当时在美国这是少见的)。1829年,他改良电磁铁,发明电报的原理。(据说他比法拉第更早一年发现电感现象,但未发表)。后来他转往New Jersey College(以后的Princeton University)任教。1835年,美国画家摩斯(Samuel F.B. Morse, 1791-1872),发明了摩斯电码(Morse Code),制成了电报的第一个原型。从此,电报开始发展成新兴工业。1854-58 年,英国Univ. of Glasgow的凯尔文(William Thomson,后来封爵Lord Kelvin, 1824-1907),研究越洋电缆理论,促成大西洋两岸之电讯。他也因此发财。1876年,美国人贝尔(Alexander G. Bell,1874-1922 )发明电话。贝尔的家传技艺是audiology(帮助聋哑的技术)。他发明电话后成为巨富,热心公益。他的公司,至今尚存。晚年他宣称讨厌电话,隐居加拿大东北极寒之地纽芬兰。

焦耳、凯尔文现在的名气,多因其热学上的成就,

(焦耳之热功当量,凯尔文之绝对温标)。而且,他们合作,发现了气体膨胀时,温度下降(Joule- Thomson Effect),这是冷冻机原理。但这发明当时英国的工业界不感兴趣。焦耳去世较早。凯尔文1892之封爵,也是因越洋电缆。

为什么冷冻机原理当时引不起英国工业界的兴趣?为什么用途广泛的电马达(其原理只是安培定律)没有很早的发展?其中重要原因之一是这些都要大量的电力,而当时还没有一个便宜的发电方法(电池发电太贵了)。因此,用电量较小的通讯器材(电报、电话),就率先发达。对当时的一般民众而言,生活中用电还是少