闪电,刺眼而转瞬即逝。不论是各个地区,古代都有对电的描述与想象。闪电的出现,往往伴随着瓢泼大雨以及落雷引起的火灾。在古希腊的神话中,众神掌管着宇宙万物,但雷电却牢牢地掌握在众神之神宙斯手中。在中国,由于闪电和雷声的分离,因此被描述成两位神仙共同掌管,就是雷公与电母。
会放电的电鳗天然的琥珀不论是在哪个版本的神话传说中,闪电的传说一直充满了人们对它的畏惧之心。早在公元前多年,古埃及人就有关于尼罗河里电鳗的记载,并认为这是一种水中的保护神。同样是在外国,古希腊人很早就发现了摩擦生电现象,那是在用麻布擦拭琥珀时人们发现的静电现象。不过,奇怪的是在中国没有关于静电研究的记载,即便是被誉为中国古代“四大发明”的指南针在发明前后,在沈括的《梦溪笔谈》中也没有见到关于静电的影子。
研究静电的吉尔伯特发明避雷针的富兰克林关于电的真正的研究,还是始于十七世纪的英国物理学家吉尔伯特。他发现,能摩擦生电的现象不仅是琥珀,在硫磺、毛皮、陶瓷、丝绸、纸张、橡胶等材料都能摩擦起电。但是,这个发现还是没有引起人们足够的兴趣。一直到十八世纪,才有人提出天上的雷电是不是也是一种静电呢?一直到十八世纪中叶,著名的美国政治家兼科学家本杰明·富兰克林利用风筝实验证明了天上的雷电是一种静电,并且发明了避雷针。然而,这位杰出的政治家也是够走运的,居然在做这样的实验时没有任何事故发生,只是手指被麻了一下而已。但他的发现与试验方法却引起了世界范围的科学家的极大兴趣,于是纷纷效仿,结果就有人因此不幸身亡。到今天,当我们介绍富兰克林这一段研究的时候,不得不告诫小朋友:危险动作,切勿模仿!
研究静电的库仑就在富兰克林发明避雷针之后的三十多年里,又有一位物理学家库仑也对电产生了极大兴趣。这个库仑是法国人,是一位活跃在拿破仑时期的工程师。我们知道,当时的法国在拿破仑的带领下数次击败了欧洲的反法同盟,并与此同时取得了制海权。当时的航海技术主要还是靠指南针来辨别方向,但制备指南针的材料十分关键,因为任何材料都会有摩擦力,这种摩擦力必然导致指向不准。毕竟是在茫茫海上,一个细微的误差就很有可能导致极大的方向错误。于是,这位工程师就提出,用细线悬挂磁针,这样可以减少摩擦力对磁针的影响。而在研究中,库仑发现导致细针扭转的力和细针转过的角度存在着正比关系,因此他经过研究,最终确立了弹性扭转定律。最终,库仑因此发明了扭秤,利用这种扭称,他就可以测定磁力的大小了。不仅如此,静电的异性相吸也是一种力,于是他在研究磁力的同时也研究了静电力。最终确定,带有不同电荷的两个点之间的作用力和这两点之间的距离的平方有一个反比例关系,最终确定了库仑定律。
发明伏打电堆的伏特富兰克林发现了电,于是就总想把电从天上引下来,并收集得到电,但是他没有成功;工程师库仑研究了静电力的大小,但也没有得到收集可用的电。倒是另一位科学家伏特(与拉瓦锡同时代)成功地得到了电。伏特是个意大利科学家,是一个非常知足常乐的人,不问政治,也不致力于学问,他一生的贡献只有一个伏打电堆,但是,就是这样的贡献,却开启了人类掌握并且利用这一自然力的大门。于是,为了纪念这一逍遥的科学家,人们把电压的单位以伏特命名。
触碰到原电池的伽尔瓦尼但是,要说到伏特发明伏打电堆,不得不提另一位科学家的名字,他是一位搞生物学的医生,名叫伽尔瓦尼,和伏特一样,都是意大利人。这个伽尔瓦尼他是在年的时候,在解剖青蛙时发现的一个奇特现象,那就是当他把手术刀的刀尖触碰到青蛙腿的神经时,当放在桌子一旁的起电器发出电火花时,蛙腿出现痉挛,于是他认为痉挛的起因是因为动物体上的电的作用,因此它把这种电叫做“动物电”。于是,伽尔瓦尼不断重复这个实验,他认为电火花和用金属触碰神经是产生蛙腿痉挛的必要条件,并且还把铜线接在铁窗上,想把天上的雷电引过来进行实验,但他发现,不论是在晴天还是在雨天进行实验,结果都发现了痉挛现象。挺奇怪的?怎么解释呢?于是,他就展开了丰富的想象,说这是“大气电”的缘故。但是,他又发现,当他在密闭的房间里,排除外来电流的作用的干扰时,用铜线去刺激铁板上的蛙腿,依然出现了痉挛现象!他想不通,于是就记录下来,他说,只有用金属接触时,这种痉挛会发生,而且有些金属导致的蛙腿痉挛还特别强烈;但用石头、橡胶等材料时,痉挛就不发生。
显然,伽尔瓦尼的发现引起了巨大的轰动。这个时候,大家突然想起来,三十多年前,有一个瑞士学者苏尔泽做过一个实验,他把一块铅片和银片一端相连,由于两只手不够用了,于是他就用嘴叼住金属片的另一端,顿时感到麻木,还有一种酸不溜秋的味道,那种味道既不是银片的,也不是铅片的。这位苏尔泽还做过一个实验,他把一个盛水的锡做的杯子放在银质的试验台上,用舌头接触杯子里的水,没有酸的感觉。但当他用手接触到银台的时候,马上就感到了酸味。
然而,伏特并不相信这个电火花就是生物电,结合之前苏尔泽的发现,他找来一个锌环,又找来一个铜环,再找来一张纸(也可能是呢绒)浸透盐水,就这样,一个锌环、一个铁环、一张浸透食盐水的纸……如此地堆叠,叠成一个柱状体,居然就产生了明显的放电!而且,这种柱子叠得越高,放电现象就越强。于是,伏特就在年宣布了他的理论,他认为,这个电就像自来水管中的水一样,能在导线中流动,而且方向就是从电压高的流向电压低的。不仅如此,伏特还发现了一种序列,那就是在放电现象发生时,有一个序列,那就是从金属铝开始,一直到黄金、白金等,前一个金属和后一个金属一接触就能产生电压。
伏特的发现惊动了拿破仑,并且观看了他的伏打电堆的放电实验,并且奖励了伏特一笔奖金。
伏打电堆的发现,是人类历史上第一次掌握了电这种自然力,并且随着后来的发展,人类不断地发明了蓄电池、干电池、充电电池等实用的电池,也促使电这一自然力为人服务。伏特的发现不仅开启了电的使用,而且第一次兴起了电化学这一科学领域。不仅如此,伏特的这个发现为后来的人们对原子的结构的理解奠定基础。至此,我们基本上可以解释当初我国发现的“曾青得铁则化为铜”的现象,其实这里面也有一种电子转移的道理。
找不到电池的项少龙一脸无奈不过,回想起当年很火的穿越剧《寻秦记》,笔者不得不为主角项少龙可惜。知识丰富的项少龙一心想找硫酸铜做电池,但是他当时如此心急,怎么就忘了其实利用伏打电堆实验,把一个铁环、一个铜环这样相连,再用盐水导电,不也能做成电池么?
关于电的故事远远没有结束,笔者后面还会详细介绍电的历史。但是,伏打电堆的发明,无疑是给化学这一学科带来了新的活力。敬请大家