电学实验史话

本文介绍几项有关电学的实验。电学的发展史中有许多有趣的实验实验者通过这些实验作出了许多重大的发现和发明。由于时代的变迁有些实验的设计在现代人看来也许有些古怪也可能被看成是低水平的没有复述的必要。但是如果您设身处地去想想在那对电一无所知的早期年代前人以极其贫乏的技术条件要探索各种电的现象和效应该有多么地艰难是什么思想鼓舞他们进行这类从来没有人做过的事情呢您可以仔细关注下面几节里提到的那些电学家们。您会发现他们往往都有自己独特的想法。正是这些想法引导他们去不倦地做电学实验哪怕有些实验还要承担风险。这些想法就叫做科学信念。科学家从事科学实验不会没有想法和动机。盲目地瞎试不是科学实验也不会得到有用的结果。科学家从事科学研究往往都有一定的科学信念。他们的信念在现代人看来也许可笑甚至可能是错误的。但是对他们来说也许起有决定性的作用。正确的信念引导科学家走上正确的道路错误的信念则有可能促使他们多走弯路。一个好的实验者在实验面前碰了钉子后会很快地吸取教训改变他的想法端正他的信念转而采取正确的方法和途径继续进行实验直到成功为止。我们学习前人的经验并不一定要对他们的具体实验装置和具体实验步骤做详细的研究但是他们的设计思想和科学信念往往对后人很有启示他们的经验很值得我们去吸取。请读者们在阅读下面几个故事时留意格里克为什么要制造摩擦起电机他做起电实验的目的是什么牛顿为什么支持豪克斯比做电学实验奥斯特和法拉第在毫无理论根据的情况下进行探索他们为什么会百折不挠地要把实验做到底如果您对他们的想法有了真切的理解您也许会对他们倍感亲切。

一. 电学的早期研究

----实验研究要有理论指导

电这个无处不在、神出鬼没的幽灵人类从认识它到驾驭它、利用它历经了好几百年的时间。在古人眼里雷电是天神发怒的象征。琥珀摩擦后可以吸引纸屑和芥子梳头解衣往往火花、噼啪声随之而来。这类现象可以说是人类认识电的开端这种认识只局限于一些日常现象。人们既没有认识到电现象的普遍性更没有触及它的本性。

电学的发展只靠观察是不够的必须进行实验通过实验有目的地去探索才可能掌握电的规律。而实验的进行关键在于能够人为地产生电按照人的意志实现各种电现象从而达到研究和应用的目的。所以基于摩擦起电的道理出现的摩擦起电机在电学史上占有重要地位。而能产生稳定电流的伏打电池则进一步使人类能够研究和利用电流的各种效应。

摩擦起电机的发明

1660 年左右德国的一位市长格里克创制了一种机械装置可以连续摩擦生电。他取一只儿童脑袋一般大的圆形玻璃烧瓶把碎硫磺放进瓶里一起加热使硫磺融熔在加热过程中不断加硫磺最后瓶里充满融化了的硫磺。再插入一根木柄等硫磺冷却后打破玻璃得到一个漂亮对称的硫磺球。他把硫磺球支在木架上如图1.2让磺球转动同时把一只手按在球上摩擦于是硫磺球就会显示地球吸引万物的特性。图1.3是格里克发表的另外一张图。实验者正举着带电的硫磺球球体移到哪里那里一切轻质物体都受到吸引。纸片、羽毛纷纷朝它飞来水珠滚动枯叶摇晃。手指靠近闪光、爆破声与雷电无异。

会想到做一个旋转的硫磺球来做实验呢? 原来他并不是单纯为了演示电现象而是为了证明地球吸引力乃是某种“星际的精气”他的真空实验也和这个总目标有关。

格里克的硫磺球实验确实摸拟了地球的吸引作用甚至他还显示了硫磺球的引力比地球吸引力大。然而他也发现两者有不同之处。在硫磺球周围也会有物体被排斥羽毛在硫磺球和地板之间会上下跳动。格里克开始领悟到重力并不能归结于电力它们各有特点。接着格里克又做了许多电学实验其中包括电的传导和静电感应可惜没有得到别人的重视。

格里克发明摩擦起电机的消息和他的真空泵一起在欧洲各国传开了。人们竟相仿制并改进他的起电机。人们发现格里克的摩擦起电机其实不必把玻璃瓶打碎甚至不用硫磺直接用玻璃瓶就可以做实验。很多人对电感兴趣有的是为了研究电的性质有的则是为了让王宫贵族取乐用于表演魔术。但是在有意无意的探索活动中逐渐摸清了电的性质。

牛顿对电学也很感兴趣。1675 年他用玻璃球起电机研究了电的吸力和斥力、火花放电等现象。1703年12月5日英国皇家学会热闹非凡这一天他们有两件新鲜事。一件是牛顿就任皇家学会主席一件是牛顿任命他的助手豪克斯比(F.Hauksbee)担任实验师牛顿希望在皇家学会提倡实验恢复实验空气。豪克斯比当众表演了精彩的真空放电实验。他用摩擦起电机使真空发出辉光如图1.4说明真空也会产生电的现象。

进一步豪克斯比还用棉线显示了电力演示了“电风”。他做了一块玻璃圆柱体长 7英寸直径也为7英寸周围是一根木箍上面等距离地连着许多条棉线(如图1.5)当他旋转并摩擦圆柱体时棉线沿半径方向伸直趋向一个中心。豪克斯比没有忘记他的恩师 他把这一事实联系到牛顿的宇宙学说解释说这些线条就像是受到了重力沿直线方向吸向中心。

电的传导

1720年又有一位英国人叫格雷(S.Gray)他对电的传导进行了研究发现摩擦过的玻璃所带的电可以转移到木塞上再经细绳传到 20 米以外的骨质小球(如图 1.6)。他还让一个小孩做人体带电试验(如图1.7)。他用丝绳把小孩吊在顶蓬下在小孩身下放许多轻质物体例如羽毛之类。然后将摩擦过的玻璃管接触小孩腿部结果小孩的手和头部都能吸引羽毛。

格雷通过实验发现了电的传导性而且分清了导体与绝缘体。

下一步进展是法国的杜菲(du Fay)作出的。格雷的实验引起了他很大的兴趣他总结了前人的经验提出了许多问题例如

1。是不是所有物体都可以靠摩擦带电电是不是物质的普遍属性?

2。是不是所有物体当接触或靠近带电体时都可以获得电?

3。哪些物体会使电的传递停滞哪些利于电的传递? 哪些物体最容易被带电体吸引?

4。斥力和吸力之间有什么关系? 它们之间是否有联系抑或是完全独立的?

5。在虚空处在压缩空气中在高温下电的强度是增还是减?

6。电和产生光的能力之间有什么关系? 这是大多数带电体的共同特性。这一关系可以得出什么结论?

为了解答这些问题杜菲进行了一系列实验。他首先发现能够带电的不仅限于琥珀之类的物品任何东西包括金属都可以带电于是纠正了前人将物体分为“电的”和“非电的” 两类的作法。为了证实一切物体都可以带电杜菲以自己的身躯做实验。他让助手用绳子把自己悬吊在天花板上然后带上电当另一个人接近他时从他身上发出电火花产生噼噼啪啪的声响。

莱顿瓶的发明

杜菲最大的贡献是分清有两种电。他把两小块软木包上金箔用丝线悬挂在天花板下取一玻璃棒用丝绸摩擦后分别接触这两块软木结果软木互相排斥。他又做了一个实验 取一松香棒用羊皮摩擦后接触一软木而用丝绸摩擦后的玻璃棒接触另一软木结果发现两者互相吸引。他再用其他许多材料继续实验发现有的相互吸引有的互相排斥。于是杜菲认定电有两种。他把玻璃产生的电称为“玻璃电”松香产生的电叫“松香电”。

图1.8 莱顿瓶

莱顿瓶(图 1.8)的发明使电学研究又上了一台阶。1745 年 德国的克莱斯特 (E.G.Kleist)做了一个实验。他用铁钉把电通到窄口药瓶中瓶中盛水瓶子与其他物体绝缘。原来他是想把电存在水中。读者也许会觉得他的想法太幼稚请不要讥笑他原始的观念往往导致科学的重大发明克莱斯特试验果然有一定效果他再用铁钉将瓶内的水和外界接通时出现了强烈放电现象。

克莱斯特没有放过这一现象而是进一步寻找储存电的规律。他发现瓶口及外表面必须干燥(注不然电就会沿表面爬走了)如果瓶里装的是水银或酒精效果更好。

克莱斯特把这一发现写信告诉了好几位友人他们都回信说重复做了实验却没有能够得到同样的结果原来克莱斯特在信中少说了一句话实验者在用钉子通电时要手持瓶子的外表面人站在地上(注也就是说 瓶子的外表面必须接地!)。由于这个原因克莱斯特的发明没有引起注意。

与时同时 另外有一位实验家在荷兰也做了类似的实验如图1.9。他是莱顿大学物理学教授穆欣布罗克(P.Musschenbruck)。他把金属枪管悬挂在空中与起电机联接另从枪管引出一根铜线浸入盛水的玻璃瓶中助手一只手拿着玻璃瓶穆欣布罗克在一旁摇摩擦起电机。正在这时助手无意识地将另一只手碰到枪管顿时感到电击。于是穆欣布罗克自己来拿瓶子当他一只手碰到枪管时果然也遭到强烈电击。

图1.9 穆欣布罗克的枪管实验

穆欣布罗克不久在给友人的信中写道“蒙上帝怜悯我才免于一死。我就是为法兰西王国也不愿再冒这个险了.” 信中他详细描述了实验的条件所用器材和人的姿势。写得如此真切令有冒险精神的读者无不跃跃欲试。后来这封信公开发表。许多人重复了莱顿的实验莱顿瓶也由此得名。

在用莱顿瓶做试验的人当中有一位法国电学实验家叫诺勒特(J.A.Nollet)最为出色。他改进了莱顿瓶。大大提高了电的容量。1748 年他在巴黎让二百多名僧人(修道士)在巴黎修道院前手拉手排成圆圈让领头的和排尾的手握莱顿瓶的引线当莱顿瓶放电时几百僧人同时跳起来使在场的贵族们无不目瞪口呆。诺勒特组织的表演使电的声威达到了高潮。 莱顿瓶的神奇不胫而走消息传到了美利坚合众国又引出一番轰烈情景这时有一位有名的人物做了许多实验。他就是美国的著名科学家富兰克林。

二. 伏打和奥斯特的发现

----科学信念的重要性

有人说十九世纪是电学的世纪。这句话是不是过分了呢只要对电学发展史有所了解就会觉得这句话一点也不过分。这个世纪以发现伏打电堆和电流的磁效应开始继而发现了电磁感应和电解定律以及其它一些电磁规律终于在世纪的后半叶建立了完整的电磁场理论而在19世纪行将结束之际又传出发现光电效应、霍耳效应、塞曼效应的消息最后以电子的发现迎接新世纪的到来。由于这些实验事实的发现和物理理论的建立电动机、发电机、电报电话、以及后来的无线电、电视相继问世。回顾这一切其发端就在于1800年伏打电堆的发现和1820年电流磁效应的发现。下面我们就来讲讲这些发现是怎样作出的。

伽伐尼的青蛙实验

首先要介绍18 世纪末电学是怎样从静电领域发展到电流领域的。这是一大飞跃 发端于动物电的研究意大利学者伽伐尼和伏打在这方面起了先锋作用。

伽伐尼是一位解剖学教授1780 年 9 月的一天他在解剖青蛙时偶然发现电效应他和学生一起作解剖实验一个学生用手术刀轻轻触动了青蛙的小腿神经这只青蛙立即抽搐了起来。当时另一学生正在附近练习使用摩擦起电机。他注意到青蛙抽搐时正好是起电机发出火花的那一瞬间。伽伐尼没有放过这一机会立即研究起来。他早就知道动物有某些特殊行为与电有关。从古代人们就发现有一种鱼会放电叫鱼鳗。莱顿瓶发明后人们开始考虑鱼鳗的电效应可能与莱顿瓶类似。1772 年英国的华尔士发现鱼鳗的放电是在背脊和胸腹的两点之间。解剖的结果是在鱼体内有一长圆柱体电就是从那里发出来的。伽伐尼敏锐地感到这是研究动物电的一个极好范例。他想会不会在青蛙体内也有类似组织?这个现象和手术刀有什么关系?为什么正好在这时起电机也放电呢?

伽伐尼为了掌握青蛙抽搐的规律安排了一系列实验如图2.2。起先他只用刀尖触青蛙神经然后只让起电机打电火花都不能使蛙腿抽搐。

接着伽伐尼把青蛙用铜钩子挂在花园的铁栏杆上结果发现在闪电来临时青蛙也会抽搐。

图2.1 伽伐尼正在向友人演示青蛙实验 图2.2伽伐尼的青蛙实验

伽伐尼又把青蛙放在铁桌上用铜钩子碰青蛙腿只要铜钩子另一端触及桌面即使没有任何其它带电体在场蛙腿也会抽搐。显然他已触及现象的本质可是由于动物电的观念先入为主他坚持用动物电说明所有这些现象使他无力作出正确的解释。

伽伐尼在1791年发表了题为《肌肉运动中的电力》文中写道“我们想到用不导电或不大导电的其它物体如由玻璃、橡皮、树脂、石或木等物质制成的但都是干的东西来试。结果都不发生这样的现象既看不到肌肉的紧缩也看不到肌肉的运动。这当然激起了我们的惊奇并使我们以为动物本身就有电。我们认为这种看法是正确的因为我们的假定是在紧缩现象发生时有一种很细的神经流体从神经流到肌肉中去就象莱顿瓶中的电流一样。”

伏打发明化学电池

伽伐尼的著作发表以后欧洲各国对动物电形成了研究热潮很多人投入到这项实验之中。在这些研究者中间有一位意大利的自然哲学教授伏打他细心重复了伽伐尼的实验发现伽伐尼的神经电流说有问题。他拿来一只活青蛙用两种不同金属构成的弧叉跨接在青蛙身上一端触青蛙的腿一端触青蛙的脊背青蛙就可以抽搐用莱顿瓶经青蛙的身体放电青蛙也发生抽搐说明两种不同金属构成的弧叉和莱顿瓶的作用是一样的。换句话说这些现象是外部电流作用的结果。

于是就在伏打的外部电(金属接触说)和伽伐尼的内部电(神经电流说)之间展开了长期的争论。

为了阐明自己的观点伏打继续进行了大量实验。他比较了各种金属按金属相互间的接触电动势把各种金属排列成表其中有一部分是锌—铅—锡—铁—铜—银—金—石墨。只要将表中任意两种金属接触排在前面的金属必带正电排在后面的必带负电。这样伏打一举就全面地解释了伽伐尼和其他人做过的各种动物电实验。

1800 年伏打进一步把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中重复地叠成一堆形成了很强的电源这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中也可以形成电源叫做伏打电池。伏打为了遵重伽伐尼的先驱性工作在自己的著作中总是称之为伽伐尼电池。所以以他们两人名字命名的电池实际上是一回事。这就是化学电池的由来。

伏打电堆(电池)的发明提供了产生恒定电流的电源使人们有可能从各方面研究电流的各种效应。从此电学进入了一个飞速发展的时期——研究电流和电磁效应的新时期。

奥斯特发现电流磁效应

电流磁效应的发现在电学的发展史中占有重要地位。在这项发现以前, 电和磁在人们看来是截然无关的两件事。电和磁究竟有没有联系? 这是先人经常思索的问题。“顿牟缀芥、磁石引针” 说明电现象和磁现象的相似性, 库仑先后建立电力和磁力的平方反比定律, 说明它们有类似的规律。但是相似性不等于本质上有联系。17世纪初, 吉尔伯特就作过断言, 认为两者没有关系, 库仑也持同样观点。然而, 实际事例不断吸引人们的注意。例如 1731 年有一名英国商人述说, 雷闪过后他一箱新的刀叉竟带上了磁性。1751 年富兰克林发现在莱顿瓶放电后, 缝纫针磁化了。

电真的会产生磁吗? 这个疑问促使1774年德国有一家研究所悬奖征解, 题目是“电力和磁力是否存在着实际的和物理的相似性?” 许多人纷纷做实验进行研究, 但是,在伏打发明电堆以前, 这类实验是很难有希望成功的, 因为没有产生稳恒电流的条件。不过, 即使有了伏打电堆, 也不一定能立即找到电和磁的联系。

例如1805年有两个德国人, 他们把伏打电堆悬挂起来, 企图观察电堆在地磁的作用下会不会改变取向。这类实验当然得不到结果。

这时丹麦有一位物理学家, 名叫奥斯特(1777—1851), 他在坚定的信念支持下, 反复探索, 终于揭示了自然界的这一奥秘。

奥斯特是丹麦哥本哈根大学的物理学教授。他信奉康德的哲学思想, 认为自然界各种基本力是可以相互转化的。早在1812年, 奥斯特就发表过一篇论文, 论证化学力和电力的等价性,文中写道“我们应该检验的是究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有类似的作用”。在奥斯特的头脑里, 经常盘据着这个疑问。他深信电和磁有某种联系, 只是不知道应该怎样来实现它。当时, 电流的研究早已揭示导体通过电流时会发热, 甚至会发光。他想, 既然电流通过细导体会发热, 通过更细的导体甚至会发光, 进一步减小导体的直径, 为什么不能指望会激发出磁来呢? 于是他拿一根细白金丝, 让它接到电源上, 在它前面放一根磁针,他和别人一样, 企图用白金丝的尖端吸引磁针。然而, 尽管白金丝灼热了, 烧红了, 发光了, 磁针也纹丝不动。奥斯特没有灰心, 边思考, 边试验。他想, 观察发热和发光的现象, 热和光都是向四周扩展的, 会不会磁的作用也是向四周扩展?

图2.6 奥斯特表演电流磁效应

1820 年 4 月的一个晚上, 奥斯特正在向听众演讲有关电和磁的问题。他准备了实物表演, 一边讲, 一边做。在他做过那些磁针实验后, 他说“今天我们不妨把导线和磁针平行放置来试试看.” 他把磁针移向导线下方, 正当助手接通电池的一瞬间, 他看到磁针有一轻微晃动。这正是奥斯特盼望多年的反应。

演讲会后奥斯特接连几个月研究这一新现象。开始他还是用细铂丝做实验,后来他终于认识到, 磁效应强的不是细金属丝, 而是直径大的金属丝, 更不必用贵重的白金, 任何金属都可以。后来, 他有了更强大的伏打电池, 终于查明电流的磁效应是沿着围绕导线的螺旋方向。

1820年7月21日, 奥斯特用拉丁文以四页的篇幅简洁地报告了他六十几次实验的结果。

这一篇历史性文献立即轰动了整个欧洲。

奥斯特发现电流的磁效应, 是电学史上的新篇章, 由于他的发现,引导出电学一系列新发现, 电学进入了电磁学阶段, 十九世纪二三十年代成了电磁学大发展的辉煌时期。

三. 电磁感应现象的发现

----科学信念指引方向

自从奥斯特发现了电流的磁效应后人们自然会想到既然电能生磁为什么磁不能生电呢例如一根磁棒能不能使旁边的导线感生出电流来呢这件事成了很多科学家共同关心的问题。许多人作过实验企图找到满意的答案法拉第也是其中的一位。

1821年英国《哲学学报》编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的述评,这件事导致法拉第开始了电磁学的研究。

法拉第当时正在英国皇家研究所进行化学研究。他原来就对电学很有兴趣做过各种电学实验。这时他正在担任皇家研究所实验室主任的工作。

法拉第在整理电磁学文献时, 为了判断各种学说的正伪, 亲自做了许多实验。在实验过程中他发现了一种新现象, 如果在载流导线附近只有磁铁的一个极, 磁铁就会围绕导线旋转反之, 载流导线也会围绕单独的磁极旋转。这就是著名的电磁旋转实验, 如图 3.1.这一装置实际上就是最早的电动机。

图3.1 法拉第的电磁旋转实验

关于电与磁的关系众说纷纭莫衷一是。安培提出分子电流学说。他认为一切磁效应都是源于电流与电流的相互作用。他做了许多很有说服力的实验证明自己的理论是对的。但是也有人表示不同的意见。例如塞贝克就不同意把磁归结为电他认为磁比电更为根本。

1821 年塞贝克还通过实验证明有一种“磁雾”存在。他在一个用纸做成的平板上撒上一层细细的铁屑让一根导线垂直穿过这块纸板当接通电源后铁屑就以纸板上的导线为中心形成许许多多的同心圆并且离中心越近这些同心圆就越密集。他认为这个实验说明了通电导线周围存在着一种“磁雾”所以铁屑才形成一个一个地同心圆。

1825 年塞贝克又做了一个实验他用丝线吊起一块磁铁把它当作单摆然后在它旁边放上一块金属。他发现当这块磁铁摆动起来时很快就会衰减下去他认为这是受到“磁雾”的阻碍作用。如果拿走金属块磁铁的摆动会持续很长时间就像没有受到任何阻力一样。塞贝克还用其它的方法证明“磁雾”的阻尼作用。他取一块铜片做成单摆让它在磁铁的两极上方摆动发现它比没有放磁铁时衰减得快得多。这实际是在金属和铜片中产生了感应电流感应电流反过来又受磁力的阻碍作用。塞贝克当然没有明白这个道理而是认为这正是他的“磁雾”理论的证据。

另外还有一位法国科学家阿拉果也做了同样的发现。他在1822 年到格林威治附近的山上用磁针测量地磁时偶然发现放在磁针下面的金属块对磁针的振荡会产生阻碍作用。1824 年阿拉果也把磁针当作单摆让它在铜盘上方摆动发现磁针的摆动会很快衰减如果让磁针静止不动然后转动下面的铜盘就会发现磁针也跟着转动。这些实验实际上都是电磁感应的具体例证因为正是导体在运动中切割了磁力线从而在导体内部产生了感应电流。但在当时他们都不能用感应电流的观点对自己的实验结果作出解释。这些实验经过法拉第一一重复作了研究尽管当时法拉第也无法作出明确的说明但是所有这些实验事实都成了他的佐证坚定了他磁生电的信念并最终导致他在 1831 年发现了电磁感应现象。

法拉第和奥斯特一样, 笃信自然力的统一, 很早就开始寻找“磁生电” 的迹象。从 1824年到1828年, 法拉第多次进行电磁学实验。他仔细分析了电流的磁效应, 认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、 磁对磁、 电流对电流, 还应有磁对电流的作用。他想, 既然电荷可以感应周围的导体使之带电, 磁铁可以感应铁质物体使之磁化, 为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢?于是他做了一系列实验, 想寻找导体中的感应电流。例如，1824 年 11 月法拉第第一次试图观察磁生电的现象这次实验没有成功。1825 年 7 月 法拉第又做了一次实验来寻找磁生电现象再次得到否定的结果。同年11 月法拉第做了第三次实验。这次差点儿获得成功。他把一根 4 英尺长的导线接在电池的两极上把另一根导线接在电流计上两根导线平行放置中间只隔两张薄纸。当前一根导线中通入电流时他没有观察到另一根导线上的电流计指针有任何动静。然后他又把前一根导线弯曲成螺线管把另一根导线放入线圈中。当前一根导线接通电源时仍未能发现第二根导线上的电流计指针的偏转。

如果电流计足够灵敏如果电源足够强在接通电源或者切断电源的瞬间法拉第应该能够看到电流计发生偏转。可是他都没有观察到。尽管如此法拉第对磁生电的信念并没有动摇他逐步领悟到必需加大电源的强度并且注意瞬间的变化。

法拉第在实验日记里多次记录了失败的尝试,也多次表达了自己的信念。就在1831年8月29日这一天, 法拉第终于取得了突破性的进展。

这次他是用一个软铁圆环(如图3.2中的插图), 环上绕两个互相绝缘的线圈 A和B。线圈A和电池连接,线圈B用一导线连通, 导线下面平行放置一只小磁针。法拉第注意到, 当接通电池的瞬间,小磁针突然跳动一下切断电池时, 也有同样现象如果维持接通状态, 则毫无反应。法拉第猛然省悟, 原来这种感应是和瞬间过程联系在一起的。

法拉第在日记中写道部分原文见图3.2

“1关于磁生电的实验等等等等。

“2用软铁做一个圆铁环它的厚度圆铁条直径是八分之七英寸它的外直径圆环直径是6 英寸。在圆铁环的一个半边绕了许多匝铜线每匝之间用麻线和白布隔开其中共绕有 3 个线圈每个线圈都用 24 英尺长左右的铜线绕成。它们可以联在一起使用也可以分别使用。这三个线圈彼此之间是绝缘的我们把铁环的这半边称为A。中间隔开一段距离再在圆铁环的另一半边用两根铜线绕成两个线圈铜线的总长度大约是 60 英尺缠绕方向与前面的线圈相同我们把这半边称为 B。

“3把 10 个电池联在一起每个电池电极板的面积是 4 平方英寸。把 B 边的线圈连成一个线圈并将它的两个端点用一根铜线联结起来铜线经过一段距离离圆铁环3 英尺 刚好越过一个磁针的上面一点。然后把 A 边的一个线圈的两端同电池接通立即就对磁针产生了可以观察到的影响。磁针摆动着最后又回复到原来的位置上。当切断A 边线圈与电池的连线时磁针又一次受到了扰动。

“4把 A 边三个线圈联成一个线圈使电池的电流流过所有的线圈对磁针的影响比以前强得多。”

在这天的实验日记里法拉第还画了一个插图正是他所说的圆铁环圆铁环的 A 边共有 6 个端点表示绕了 3 个线圈B 边共有4 个端点表示绕有 2 个线圈。在 A 边线圈中的电流产生或消失时B 边线圈中就感应出短暂的相反方向的电流使磁针向两个不同方向摆动。

这是法拉第第一个成功的电磁感应实验。

法拉第想, 这个实验成功的关键在哪里呢? 如果没有铁质, 还会不会有这类现象? 于是他用木料做A、B线圈的芯子,线圈A改接强大的电池组, 结果依然有感应, 说明电磁感应只和电流的变化有关。如果电流不变, 即使电流大到使导线灼热, 也不会产生感应。

接着, 法拉第又做了一个实验。他取来一根铁棒, 在铁棒上绕以线圈, 再和电流计相接, 铁棒两端各放一根条形磁铁, 如图3.4。当铁棒拉进拉出时, 电流计的指针会不断摆动。 法拉第继续做实验, 他于1831年10月17日以条形磁铁插入线圈, 如图3.5,发现在条形磁铁插入和拔出的瞬间,线圈会产生感应电流。

他把铁棒运动和磁铁运动引起的感应称为“磁电感应”, 而把先前发现的两个线圈间的感应称为“伏打电感应”, 因为两个线圈中有一个是接到伏打电池上的。

他不满足于瞬时效应, 总想能直接实现磁生电。于是继续做实验, 终于在 1831 年 10 月28日用旋转铜盘做成功了。他把铜盘置于马蹄形磁极之间, 如图3.6和图3.7。从铜盘的轴心和边沿引两根导线接于电流计旋转铜盘, 就从这两根导线引出了持续的电流。

这样一来法拉第创造了第一台最原始的直流发电机。他从电磁旋转实验作成了最初的电动机从电磁感应实验作成了最初的发电机。电动机加发电机可以说电的时代就是从这里开始的。

同年11月24日, 法拉第对各种试验做了总结, 向英国皇家学会报告说他可以把产生感应电流的情况分为五类 ① 变化中的电流 ② 变化中的磁场 ③运动的稳恒电流 ④ 运动中的磁铁 ⑤ 运动中的导线。

就在法拉第宣布发现电磁感应现象之前不久也有一些科学家在作电产生磁的研究。例如美国的亨利(J.Henry)在研究电磁铁的过程中也发现有电磁感应现象。他不大放心, 迟疑不决, 没有公开发表自己的结果。还有一位瑞士物理学家, 叫科拉顿。他已经接近发现的边缘, 但实验的安排有问题。他为了避免磁铁对电流计的影响, 特意把电流计放在隔壁房间里, 他一个人做实验, 只能来回奔跑、他先在一个房间里把磁铁插入线圈, 再跑到另一房间里去观察电流计的偏转。每次得到的都是零结果, 失去了观察到瞬时变化的良机。

四. 法拉第电解定律的发现

----追求自然界的统一性

电解是电化学中的重要现象是电引起的一种化学反应。人们利用电解提炼铝之类的金属对物品进行电镀。提起电镀每个人都很熟悉无论你走进哪个家庭都会用到漂亮的电镀产品。电镀的厨房用具、自行车、灯饰以及很多日用物品莫不都要经过电镀这些电镀产品习习生辉发出耀眼的光芒不仅美观而且防锈。所以可以说现代社会离不开电解和电镀。更重要的是早期对电解的研究使著名电学家和化学家法拉第得到了两个电解定律并由此进一步确立了物质电构造的基本概念加深了对电的本质的了解。

法拉第为什么会对电解现象感兴趣呢让我们从头说起。电解的研究在伏打发明了电池以后就开始了英国工程师尼可尔森和解剖学家卡莱尔便利用这一电源对液体进行研究他们首先选用了水。他们在一个玻璃杯中盛上水插入两个铂片作电极。当他们用导线将伏打电池的两个极分别与玻璃杯中的两个极相连时发现在导线和杯中电极接触部分产生了许多气泡可见水在电流的作用下发生了化学变化。经过测定两极所产生的气体一种是氧气另一种是氢气可以肯定电流使水发生了分解。

在此以后欧洲立即掀起了对各种金属化合物水溶液和固体物质进行电解实验的浪潮。

虽然电在溶液中流动使溶液发生了化学变化是无可置疑的但变化的原理则不清楚。

1805 年法国化学家格洛塔斯曾提出过他的电解理论认为在电解水时阳极和阴极好比磁铁它们分别吸引水的粒子而把水分解。现在看来这个理论当然是错误的。

19 世纪 20 年代初正当法拉第在戴维的实验室里从事化学研究时奥斯特发现了电流的磁效应证明了电能生磁。在这件事的激励下法拉第转而研究了磁的电效应发现了电磁感应证明了磁也能生电。看来电与磁的统一是无可怀疑的了。不过这里所说的电是指伏打电和磁感应电。在法拉第的那个时代人们根据电的产生方式把电分成五种伏打电、摩擦电、热电、动物电、磁感应电。伏打电是伏打电池供应的电流摩擦电是指由摩擦产生的静电它往往存储在莱顿瓶中热电是指温差电源供应的电流动物电指电鳗之类的动物放出的电磁感应电就是法拉第电磁感应实验中得到的感生电流。那么这些不同种类的电是不是统一的呢这正是法拉第长期思考的一个问题。

1832 年法拉第开始集中精力来思考“不同来源的电的同一性”问题。在此之前富兰克林 1752 年的风筝实验给他留下了深刻的印象这个实验证明了雷电与莱顿瓶放电的统一它们都属于摩擦电或静电。现在法拉第把电归纳为静电和流电两类把电效应归纳为生理、发热、产生磁力、化学分解、电火花等等。他比较了这五种电在电效应上的区别指出这些电在很多效应上都是相同的如它们都会引起肌肉抽搐放电时都会发光、生热都能产生化学反应等。虽然它们在某些电效应上不同但只要电源足够强大相应的效应也会显现出来。于是法拉第总结说“电的所有这些形式与得到它们的来源无关在其本质上是完全相同的”它们“仅仅在程度上有所不同而只在这种意义上才用得上不同的说法 即在数量和强度变化条件的意义上有所不同”。

所谓静电指的就是摩擦电之类的电所谓流电指的是伏打电之类的电。法拉第对电的统一性的研究引导他进一步探讨流电与静电之间的统一性问题。正是由于这项研究导致了电解定律的发现。实际上法拉第早在他学徒生涯的最后一年时已注意到电解问题了。那时他连起码的伏打电池都没有于是从皇家学院买到了一点锌片再把它切成几个银币大小的圆片、然后把它们覆盖在几个铜币上中间夹上盐水浸泡过的纸板做成了一个最简单的伏打电池。就是利用这个电池他电解硫酸镁获得了成功。那时戴维早已是研究电解问题的权威了。他不仅用电解方法发现了钾、钠等一系列的化学元素而且还提出了电化分解的电性二元论。但他对电解问题的认识尚未达到定量的水平。因此法拉第决心用自己的实验给电解问题作出精确的分析。

法拉第为了研究电解原理又进行了一系列科学实验。他先用硫酸钠溶液把石蕊试纸和姜黄试纸润湿然后将湿的石蕊试纸与一个铂片相连湿的姜黄试纸与另一铂片相连前一个铂片与伏打电池的正极连后一个铂片与负极相连。他发现石蕊试纸显红色说明呈酸性姜黄试纸变成褐色说明呈碱性。

接着法拉第做了另一个实验。他将两块铂片电极插在盛硫酸锌溶液的玻璃容器中 然后将两个铂电极与伏打电池的正、负极相连结果发现阴极的铂片上覆上了一层金属锌阳极周围的溶液显酸性。

在以上两个实验的基础上法拉第又用金属铂和铜作电极对氯化铜水溶液进行电解为了更容易导电他在氯化铜水溶液中添加了少量硫酸铜水溶液。当他把铂电极与伏打电池的正极相连铜电极与负极相连后发现在铂电极上有氯气放出而在铜电极上又有铜附着在上面。

1832年法拉第用实验比较了摩擦电与伏打电的电解效应之后写道“当电化分解发生时有许多理由使我们相信分解出来的物质的量并不和电流强度成正比而是和通过的电量成比例”。这就是法拉第电解第一定律的最早表述。在此基础上他进一步研究了摩擦电与伏打电在电化分解上的共同量度和量的统一性通过实验证明了起电机转动一定转数产生的放电所引起的化学作用与电池在一定时间内供应的电流所引起的化学作用是等价的。这说明电化分解中析出的物质与通过的绝对电量成正比不管这种电是摩擦电提供的也好还是伏打电提供的也好它们之间有一种量的同一性。

1833年法拉第指出“不管电源、电流强度、电极的尺寸、通过电流的导体的性质和其他一些条件发生多大变化具有恒定电量的电流其化学分解作用是恒定不变的”。他以水的分解为例进一步指出“不管实验条件和情况有多大变化当水受到电流作用时被电解的水的数量都严格正比于通过它的电量。……电流的化学力正比于其传输电量的绝对数量。”于是他就得到了电解第一定律。

根据法拉第电解第一定律既然由电解作用所析出的生成物质量正比于通过电解质的电量那么只要准确地测定出这种生成物的数量就能测定出通过的电量。为此法拉第设计了许多实验用以测定电解水所生成的氢气和氧气的质量并以此为电量标准测定了电解其它化合物时所析出的物质质量发现各种元素在电解时始终以确定的比例被析出。法拉第把这种比例称为电化当量如氢、氧、氯、碘、铅、锡等元素的电化当量分别为1、8、36、125、104、58 等。这种电化当量与化学当量异常吻合。

于是法拉第便得出如下结论“电化当量与通常的化学当量彼此一致系同一个概念。” 这就是法拉第电解第二定律它表明一定的电量通过电解质所析出的物质质量与这种物质元素的化学当量成正比。

从法拉第电解定律可以导出单位电荷的概念。对此亥姆霍兹 1881 年作了很好的说明。他说“法拉第定律的最令人惊异的结论也许是如果我们接受元素物质由原子组成的假说就不可避免地要得出结论不论正电和负电都可以分成一定的单元其行为如同电的原子。” 亥姆霍兹说这番话时电子还没有发现以后我们知道这个电量的基本单位就是一个电子或一个质子所带的电量。法拉第的电解定律有如此深邃的科学价值这是法拉第本人都没有预料到的。

法拉第的电解定律也可以用如下的实验结果表示只要通入硫酸铜和稀盐酸的电解槽中96495 库仑的电量就能在阳极上析出氯 35.46 克在阴极上析出铜 31.77 克。后来才知道 96495 库仑正是 1 摩尔电子的总电量为了纪念法拉第的功绩科学界就把这个量称为法拉第常量在计算中用F表示。法拉第常量等于电子电荷e与阿佛加德罗常量NA的乘积是物理学和化学中的重要基本常数之一。现在精密的测量结果是F=96485.3415 库仑/摩尔。

法拉第通过对电解过程的研究还创造了许多科学术语。例如他把电流进入的那个电极叫做阴极;电流出去的那个电极叫做阳极他把电流通过溶液在溶液中分解成的粒子叫做离子把走向阴极的离子称为阳离子把走向阳极的离子称为阴离子等等。直至现在我们所用的电化学的基本术语大多都是法拉第创造的。