说到静电球,直到今天,我们在许多城市的青少年宫或者科学馆中都能够看到。静电球已经成为进行电学科学普及的一个典型道具。
在当静电球旋转并与绸布等非金属材料摩擦时,就会有静电在球面聚集。这时,只要你用手一摸到球,而你又有一头长发,就会“怒发冲冠”。这就是静电在发生作用。因为每根头发都携带了相同的电荷,它们之间互相排斥,就发生了每根头发都竖起来的奇异现象。由于女孩子的头发较长,这个实验由女孩子来做效果会更好,正中所展示的那样。
我们下面要讲的是一个发生在18世纪的带电男孩的故事。
1.2.1 带电男孩的故事
在18世纪之前,人们能接触到的电都是因摩擦而产生的静电。尽管如此,静电毕竟通过琥珀被人们所知晓,等待人们进一步去探索。当时没有人知道,电是否能传导。第一个注意并研究导电现象的是英国的一位自学成才的民间科学家斯蒂芬·格雷。
斯蒂芬·格雷于1666年在英国肯特州坎特伯雷出生。父亲是一位染工和木匠。格雷接受一些基本教育后,就跟他的父亲当染衣学徒。但是,他对自然科学,尤其是对天文学感兴趣。他虽然没有上过大学,但是却很努力,自学并通过实验和观测来丰富自己的科学知识。他主要从事电的研究和天文观察。1690~1716年,他主要从事天文定量和精密观察日月食、太阳黑点、木星的卫星等。这使得他成为一位熟练的星空观察者,以至于剑桥三一学院雇他作行星天文台的助手。而他的后半生主要做电的研究工作。由此,他发现了电是可以传导的。他的发现从而使人们对电的研究前进了一大步。
格雷之所以对电是否能传导感兴趣,是因为他观察到他的起电管能把他摩擦产生的静电传给靠近它的物体。
1729年,格雷用一根玻璃管和干纸摩擦使它带电。当他不用时,用木塞将玻璃管的两端塞住。结果,他发现不仅玻璃管能吸引皮毛,而且塞在两头的软木塞也能吸引细小的物体。由此,他得出结论,电已由玻璃管传到了木塞。他进一步想,电能传多远呢?他把一个象牙球插在一根几寸长的木棍上,然后把木棍的另一端插到木塞上。他发现,象牙球不仅能吸引或排斥物体,而且力更强。他又把用其他材料放在玻璃管和象牙球之间做试验,如用铁、铜线、铜币、锡、银等金属做试验。结果发现,它们都是可以导电的,是电的传导体。然后他又拿一些非金属来试验,如石头,以及一些绿的青菜等,结果发现,它们是不导电的,是绝缘体。
后来,格雷用不同长度的铜线放在玻璃管和象牙球之间做试验,看电能传多远。他最长试用了800尺长的铜线,仍然可以传导电。格雷就这样发现了电是可以通过某些物体传导的。
格雷最有名的实验是他所展示的带电男孩。1730年4月8日,格雷在一个预先制做好的木架上,用结实的丝绳悬挂着一个体重43斤(1斤=0.5千克)的男孩。很可惜,我们不知道这个小孩的名字,他可能是某修道院资助的一名学生。男孩身着不导电的布料服装,只露出头、手和脚。其中的一只手握着一根短棍,棍上挂着一个象牙球。男孩的下方放有3块纸板,分别对着小孩的两只手和头部。每个纸板上放有极薄的铜片。当格雷用经过摩擦带电的玻璃棒去接触小孩的脚趾时,小孩的头发就竖起来,同时身下的纸板上的铜片会向着手和头升起来,然后落下去,而且铜片更愿接近男孩手持短棍上的象牙球。这个实验证明了电可以传导,且证明人也是导体。由于用了一位小男孩来做这个实验,给了世人以深刻的印象。这个小男孩也成为这项著名科学实验的参与者,是一位真正的科学实验的无名英雄。
虽然这个小孩是一位无名英雄,但是我们要提醒读者注意,这是一个绝对不值得模仿的试验。由于当时使用的是只有极小能量的静电,因而没有对小孩造成威胁和伤害。但是,在电能已经普及的今天,谁都知道包括市电在内的高压电能对人体有致命危险,完全用不着再做任何这类实验。只有36伏以下的电压,对人体才是安全的。
1.2.2 捕捉电子——把电装进瓶子里
我们一定会注意到,格雷的带电男孩的实验所用的电流是经过摩擦的玻璃棒产生的。要做关于电的实验,每次都拿玻璃棒来摩擦,肯定是既麻烦也不方便的,遇上潮湿环境或天气,聚集的电子很容易跑掉。
如果能够将电装进一个容器里,需要时拿来使用,不是很方便吗?这个设想并非异想天开,真的就实现了。这就是将电装进瓶子里。
在18世纪的欧洲,用电来进行实验已经成为一种时尚,以致于在大街的地摊上都能买到用来进行电能实验的装有电的瓶子。我们只听说有电池,还有装电的瓶子吗?电能真的能装到瓶子里吗?是的,确实有装电的瓶子。
1746年,荷兰莱顿大学的教授慕欣·勃罗克(1692—1761年)在做电学实验时,无意中把一个带了电的钉子掉进玻璃瓶里,他以为要不了多久,铁钉上所带的电就会很容易跑掉的,过了一会,他想把钉子取出来,可当他一只手拿起桌上的瓶子,另一只手刚碰到钉子时,突然手感到有一种电击式的振动。这到底是铁钉上的电没有跑掉呢,还是自己的神经太过敏呢?于是,他又照着刚才的样子重复了好几次,而每次的实验结果都和第一次一样,于是他非常高兴地得到一个结论:把带电的物体放在玻璃瓶子里,电就不会跑掉,就可把电储存起来。于是,一种可以将静电储存起来的瓶子诞生了。这是一个玻璃瓶,瓶里瓶外分别贴有锡箔,瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接,棒的上端是一个金属球。由于这个发明是在莱顿大学发明的,所以大家都称它为莱顿瓶。这也是最初的电容器。
在那个时代,从皇家学会到大学刊物,都在讨论关于电的种种现象,以至在民间都将莱顿瓶当作魔术道具而在街头巷尾设摊表演。电的神秘和新奇使18世纪早期欧洲许多才华横溢的学者沉浸其中,各种实验和论文相继出台,对电的研究成为当时的前沿科学。
最值得一提的是有一位叫柯林森的英国物理学家。1746年,他给居住在美国费城的本杰明·富兰克林邮寄了一只莱顿瓶。就是这只漂洋过海的瓶子,引起了大洋彼岸的一项疯狂的实验。
1.2.3 疯狂的闪电实验
柯林森在信中向富兰克林介绍了莱顿瓶的使用方法。这使得富兰克林就像着了魔似的,一下子投入到了对电的近乎狂热的研究中。尽管他已经年过40,并且已经是著名的编辑,他还是一下子变成了一位电学的实验科学家。他在给柯林森的回信中写道:“我从未对任何研究如此投入过,最近,我却把全部精力和时间都倾注于正在做的研究中。”他的这种投入获得了回报。他将电的研究推进了一大步,并且直接产生了许多成果。
富兰克林以其作家的天分,对电的应用做了有趣的描述,并且准备安排一次奇特的电宴来实现他的计划:“一只火鸡将被电死,再用电烤叉烧烤来做我的美餐,在此之前,用电瓶点燃灯火,所有来自英国、荷兰、法国以及德国的著名的电学家们,都举起从电池枪里放出来的带电的美酒,为健康干杯。”
这真是一个非常引人入胜的设想。富兰克林以其丰富的想象力和科学头脑,为初露端倪的电做了极好的广告。
不仅如此,他还将探索电的目光投向了天空。他推测闪电就是极大量的电击。到1750年时,他已经确信找到了一个极好的办法来证明他的“闪电是电”的理论。他建议在高楼上竖起又高又尖的金属电极,通过电极将电传送到地下,从而避免建筑起火。他明确地说:“我认为,借助这些电极,房屋、船只,甚至高塔和教会教堂都可以受到有效的保护,避免遭受闪电的袭击。”据此他发明了避雷针,并一直沿用至今。
同时,他也大胆地进行了一项可以说是疯狂的试验,这就是富兰克林著名的费城实验。
1752年9月的一个闷热的下午,一场雷雨正蓄势待发,愤怒的乌云在远处地平线上翻滚着。富兰克林和他的儿子一起,带着一个用丝巾和十字支架做成的风筝,准备用来收集闪电。风筝用麻绳牵引,麻绳的尾端连接一根已经知道是不导电的丝带,顶端安装有一个金属丝。在连接处挂着一个金属钥匙,用来观察是否有电传导下来。
当暴风雨来临时,富兰克林让风筝升上天空,自己和儿子跑进一个小木屋内观察。他们紧盯着那根麻绳,开始并没有带电的迹象,随后,他们发现麻绳一下子绷紧。他小心地去触碰金属钥匙,有清晰的电火花闪现。正是这个精彩的实验,使富兰克林成为打开人类认识神奇电能大门的人,他被人们奉为18世纪的普罗米修斯。他为人类带来一个新时代的天火。
我们在这里非常郑重地告诉读者,富兰克林的这项验证闪电的实验非常危险,绝对不要模仿。这种独创性的的探索注定只能进行一次,其后所有的模仿就变成了闹剧,并且不会总以喜剧结束。1753年的欧洲,曾经有些人模仿这项实验,其中一位住在俄罗斯的瑞典科学家乔治·里奇曼,在一场雷阵雨来临之前,准备重复这项实验,他站在高处,举着连接有导线的电极,结果被闪电重击,当场死亡,成为第一个在电学实验中殉难的科学家。
这样,在一系列有时是疯狂的电学实验中,18世纪接近了尾声。在这世纪之末的1799年,伏特发明了电池,成功地将化学能转化为电能。这个重大的发明终于将作为魔术道具的莱顿瓶变成了具有做功能力的电池。从此,电流可以源源不断地获得,电流的化学效应和热效应也随之被发现。伏特发明电池使人类从静电时代走向了动电时代。电流不仅成为科学研究的重要对象,而且也成了科学研究的手段和重要工具,最终成为最重要的能源。
但是,人们这时还并不认识电子,捕捉电子的任务,落到了19世纪科技工作者和科学秘密探寻者的身上。