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標題:    電是如何被發現,并利用的?     點閱:194   3/27/2019 3:35:09 PM

電是如何被發現,并利用的?

蒸汽機讓人類走出了以人力和畜力為動力來源的時代,但是隨著工業化進程的加速,蒸汽機效率低下的局限性逐漸顯露。于是,以電力為工業主要動力的第二次工業革命開始了,這個既是能量又是信息的發明徹底改變了人類的歷史。

電是如何被發現,并利用的?

從能量的角度看,電力是第二次工業革命的新動力,你會發現,其實歷次工業革命的本質,都是能源轉換的革命;從信息的角度看,電的普及帶來了通信革命,電信業的發展加速了人類發展的進程,電的使用僅僅是最近200多年的事,這也恰恰是世界經濟飛速發展的200多年。可以說,直到現在,電都是整個現代生活的核心。

那么在科技史上,人們是如何發現并利用電的呢?從這個漫長而曲折的歷程中,我們又能得到哪些啟示呢?今天我們來拆解四個電學史的偉大瞬間,了解人們是如何認識和改造電這個能量的。

世界上第一個揭示了電的本質的人是本杰明?富蘭克林。提到富蘭克林,更多的人首先會想到他是美國的國父之一、政治家,但其實他還是一個偉大的科學家,有人甚至認為他是電學領域的牛頓,但也有人說他不過是因為披上了國父的光環,被后世美化成了科學家。

電是如何被發現,并利用的?

事實上,與他同時代的法國經濟學家杜爾哥是這樣評價富蘭克林的:“他從蒼天處取得閃電,從暴君處取得民權。”因此,作為科學家的富蘭克林,在電學上的成就,一點兒也不比建立美國這個貢獻小。

今天大家談到富蘭克林在科學上的貢獻時,都會想到他冒著生命危險使用風箏,在雷雨天進行雷電實驗的故事,因為這個實驗證實了天上的雷電和我們生活中已知的靜電本質上是一回事。

電是如何被發現,并利用的?

但是,大部分人都忽略了富蘭克林證實這件事的方法,他不是感覺到自己被電了,有一陣恐怖的麻木感,就輕易下結論說“雷電就是電”,而是隨后將雷電引入萊頓瓶中帶回到家(萊頓瓶其實就是玻璃瓶做的簡易電容器),用收集到的雷電做了各種電學實驗,證明了天上的雷電與人工摩擦產生的電性質完全相同,才得出閃電和靜電是一回事的結論,也就找到了電的本質。因為他有很嚴密的論證過程,后來英國皇家學會認可了他的發現,并且接納他為皇家學會會員。

當然,富蘭克林被認為是近代第一個對電學做出巨大貢獻的人,并非只是靠一個實驗,而是一系列在電學理論上的貢獻,包括這樣一些成就:

確定了電的單向流動(而不是先前認為的雙向流動)特性,并且提出了電流的概念;合理地解釋了摩擦生電的現象;提出電量守恒定律;定義了我們今天所說的正電和負電。

從上面的成就你可以看出,富蘭克林作為科學家可不是浪得虛名,也不是大家出于他對美國政治的貢獻,后世給予他的頭銜。在富蘭克林生活的年代,他已經深得學術界的認可,除了當選英國皇家學會會員,他還獲得了哈佛大學和耶魯大學的名譽博士。

電是如何被發現,并利用的?

我們通常對富蘭克林的另一個印象是,他早年是一個印刷匠,沒受過什么正規教育,因此是個民間科學家。必須指出的是,這種看法也是錯的,雖然富蘭克林沒上過大學,但是他在從事印刷業的過程中,大量閱讀和學習,建立起了自己的知識體系,更關鍵的是,他做科學研究可不是業余的,而是遵循一整套系統、科學的方法。

他的成就不僅在于發現了電的本質,開啟了一個電學的新時代,更重要的是他的科學的做事方法和勇敢的科學精神一直鼓舞著后人。

了解了電的本質,下一步,人們就想要進一步研究電的性質并且學會創造和使用它。要研究電,就需要把電創造出來,并儲存起來,這就有了電池的發明,這是電學歷史上第二個偉大的瞬間。

電是如何被發現,并利用的?

早在古希臘,人們其實已經意識到靜電的存在了,那時候人們發現用毛皮摩擦琥珀后,琥珀會吸引細小的東西,就如同磁石能吸引鐵塊一樣。但是直到18世紀,人們對電的了解還是停留在靜電這個層面。

18世紀80年代,意大利科學家伽爾瓦尼在解剖青蛙時,發現兩種不同的金屬接觸到青蛙會產生微弱的電流。這是人類第一次發現了流動的電,這種流電為制造電池創造了可能。但是,伽伐尼以為這是來自青蛙體內的生物電。而意大利物理學家伏打知道這件事情后,意識到這可能是因為兩種不同的金屬有電勢差,因此產生了流動,而青蛙的作用相當于今天我們說的電解質。

電是如何被發現,并利用的?

于是,在1800年,伏打用鹽水代替青蛙,將銅和鋅兩種不同的金屬放到鹽水中,就產生了電流。當然銅和鋅之間的電勢差只有0.7伏左右,非常弱,于是伏打將6個這樣的單元串聯在一起,就獲得了超過4伏電壓的電池。有了電池,電學的研究就得以不斷取得重大的突破。

當時的意大利正在拿破侖的控制之下,這位喜愛科學的將軍在得知伏打的發明后,專門在巴黎接見了他,冊封他為伯爵,而且給了他一大筆獎金。后來人們用他的名字作為電壓的單位,而Volta這個意大利語的名字在英語里被寫成Volt,因此在電學中被翻譯成“伏特”。其實伏特和伏打是一回事。

電是如何被發現,并利用的?

電池的發明除了在科研和生活中有實際的用途,其實還證實了一件事,就是能量是可以相互轉化的,當然在伏打的年代大家還不知道這個道理。

有了電池后,科學家們得以將電學的原理搞得很清楚了,接下來就是如何利用電能的問題了。這是電學史上第三個偉大瞬間,人們要真正動手改造和利用電了。

利用電能涉及到兩大發明:發電機和電動機——發電機將其他能源轉變成電能,電動機將電能轉變成機械能推動機器。而這兩種機器工作的基本原理,都是建立在電磁學理論之上的。因此,發電機和電動機都是在搞清楚了電磁原理之后發明的。

電是如何被發現,并利用的?

電和磁的關系,是被丹麥物理學家漢斯·奧斯特偶然發現的,1820年,他在給學生上完課收拾儀器時,無意間發現了通電導線旁邊的磁針會改變方向,并且因此發現了電流的磁效應,這成為了后來電動機的工作原理。

把電磁關系的研究推向高潮的是法拉第,他的研究成果是發現了磁生電現象,這就為發電機的出現提供了可能。但遺憾的是,天才的法拉第沒有受過高等教育,數學很差,沒辦法把自己的理論繼續推進。他的實驗成果后來被麥克斯韋應用,從而建立起了現代的電磁學理論。

在電學方面,理論的大廈最終是由英國著名科學家麥克斯韋完成的。如果要問英國在牛頓之后第二個偉大的科學家是誰,恐怕要數麥克斯韋了。

電是如何被發現,并利用的?

麥克斯韋用數學公理化的方法將安培、法拉第和亨利等人的電磁學理論系統化,把電、磁和光用一組方程式,即麥克斯韋方程組統一起來。這項成就被譽為繼牛頓力學之后,物理學的第二次大統一。愛因斯坦稱贊麥克斯韋是對20世紀最有影響力的19世紀物理學家。

電學成就的第四個高光時刻,就是它的普及和應用。這個工作,其實是由德國和美國一批真正來自工業界,并且能夠看到電的應用前景的發明家完成的。這些人認識到電是一種能量,并將它和產業革命聯系起來了。

世界上第一臺真正能夠工作的交流發電機是由德國的發明家、商業巨子西門子設計的。和之前的發明家不同,西門子本身就是一個企業家,他搞發明更多地是為了應用。

1866年,他受到法拉第研究工作的啟發,發明了交流發電機,隨后就由他自己的公司制造了。從此人類又能夠利用一種新的能量——電能,并且由此進入了電力時代。

1891年,美國著名發明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla,1856—1943)所在的西屋電氣公司利用他所發明的多相交流發電機開始為全美國提供照明和動力用電。






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