电是如何被发现,并利用的?

时间:2019-04-21 16:38:38来源:格普.每家购 - 方便,快捷的网上购物平台  阅读:(162)收藏
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于是,以电力为工业主要动力的第二次工业革命开始了,这个既是能量又是信息的发明彻底改变了人类的历史。提到富兰克林,更多的人首先会想到他是美国的国父之一、政治家,但其实他还是一个伟大的科学家,有人甚至认为他是电学领域的牛顿,但也有人说他不过是因为披上了国父的光环,被后世美化成了科学家

蒸汽机让人类走出了以人力和畜力为动力来源的时代,但是随着工业化进程的加速,蒸汽机效率低下的局限性逐渐显露。于是,以电力为工业主要动力的第二次工业革命开始了,这个既是能量又是信息的发明彻底改变了人类的历史。

电是如何被发现,并利用的?


从能量的角度看,电力是第二次工业革命的新动力,你会发现,其实历次工业革命的本质,都是能源转换的革命;从信息的角度看,电的普及带来了通信革命,电信业的发展加速了人类发展的进程,电的使用仅仅是最近200多年的事,这也恰恰是世界经济飞速发展的200多年。可以说,直到现在,电都是整个现代生活的核心。

那么在科技史上,人们是如何发现并利用电的呢?从这个漫长而曲折的历程中,我们又能得到哪些启示呢?今天我们来拆解四个电学史的伟大瞬间,了解人们是如何认识和改造电这个能量的。

世界上第一个揭示了电的本质的人是本杰明∙富兰克林。提到富兰克林,更多的人首先会想到他是美国的国父之一、政治家,但其实他还是一个伟大的科学家,有人甚至认为他是电学领域的牛顿,但也有人说他不过是因为披上了国父的光环,被后世美化成了科学家。

电是如何被发现,并利用的?


事实上,与他同时代的法国经济学家杜尔哥是这样评价富兰克林的:“他从苍天处取得闪电,从暴君处取得民权。”因此,作为科学家的富兰克林,在电学上的成就,一点儿也不比建立美国这个贡献小。

今天大家谈到富兰克林在科学上的贡献时,都会想到他冒着生命危险使用风筝,在雷雨天进行雷电实验的故事,因为这个实验证实了天上的雷电和我们生活中已知的静电本质上是一回事。

电是如何被发现,并利用的?


但是,大部分人都忽略了富兰克林证实这件事的方法,他不是感觉到自己被电了,有一阵恐怖的麻木感,就轻易下结论说“雷电就是电”,而是随后将雷电引入莱顿瓶中带回到家(莱顿瓶其实就是玻璃瓶做的简易电容器),用收集到的雷电做了各种电学实验,证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电性质完全相同,才得出闪电和静电是一回事的结论,也就找到了电的本质。因为他有很严密的论证过程,后来英国皇家学会认可了他的发现,并且接纳他为皇家学会会员。

当然,富兰克林被认为是近代第一个对电学做出巨大贡献的人,并非只是靠一个实验,而是一系列在电学理论上的贡献,包括这样一些成就:

  1. 确定了电的单向流动(而不是先前认为的双向流动)特性,并且提出了电流的概念;
  2. 合理地解释了摩擦生电的现象;
  3. 提出电量守恒定律;
  4. 定义了我们今天所说的正电和负电。

从上面的成就你可以看出,富兰克林作为科学家可不是浪得虚名,也不是大家出于他对美国政治的贡献,后世给予他的头衔。在富兰克林生活的年代,他已经深得学术界的认可,除了当选英国皇家学会会员,他还获得了哈佛大学和耶鲁大学的名誉博士。

电是如何被发现,并利用的?


我们通常对富兰克林的另一个印象是,他早年是一个印刷匠,没受过什么正规教育,因此是个民间科学家。必须指出的是,这种看法也是错的,虽然富兰克林没上过大学,但是他在从事印刷业的过程中,大量阅读和学习,建立起了自己的知识体系,更关键的是,他做科学研究可不是业余的,而是遵循一整套系统、科学的方法。

他的成就不仅在于发现了电的本质,开启了一个电学的新时代,更重要的是他的科学的做事方法和勇敢的科学精神一直鼓舞着后人。

了解了电的本质,下一步,人们就想要进一步研究电的性质并且学会创造和使用它。要研究电,就需要把电创造出来,并储存起来,这就有了电池的发明,这是电学历史上第二个伟大的瞬间。

电是如何被发现,并利用的?


早在古希腊,人们其实已经意识到静电的存在了,那时候人们发现用毛皮摩擦琥珀后,琥珀会吸引细小的东西,就如同磁石能吸引铁块一样。但是直到18世纪,人们对电的了解还是停留在静电这个层面。

18世纪80年代,意大利科学家伽尔瓦尼在解剖青蛙时,发现两种不同的金属接触到青蛙会产生微弱的电流。这是人类第一次发现了流动的电,这种流电为制造电池创造了可能。但是,伽伐尼以为这是来自青蛙体内的生物电。而意大利物理学家伏打知道这件事情后,意识到这可能是因为两种不同的金属有电势差,因此产生了流动,而青蛙的作用相当于今天我们说的电解质。

电是如何被发现,并利用的?


于是,在1800年,伏打用盐水代替青蛙,将铜和锌两种不同的金属放到盐水中,就产生了电流。当然铜和锌之间的电势差只有0.7伏左右,非常弱,于是伏打将6个这样的单元串联在一起,就获得了超过4伏电压的电池。有了电池,电学的研究就得以不断取得重大的突破。

当时的意大利正在拿破仑的控制之下,这位喜爱科学的将军在得知伏打的发明后,专门在巴黎接见了他,册封他为伯爵,而且给了他一大笔奖金。后来人们用他的名字作为电压的单位,而Volta这个意大利语的名字在英语里被写成Volt,因此在电学中被翻译成“伏特”。其实伏特和伏打是一回事。

电是如何被发现,并利用的?


电池的发明除了在科研和生活中有实际的用途,其实还证实了一件事,就是能量是可以相互转化的,当然在伏打的年代大家还不知道这个道理。

有了电池后,科学家们得以将电学的原理搞得很清楚了,接下来就是如何利用电能的问题了。这是电学史上第三个伟大瞬间,人们要真正动手改造和利用电了。

利用电能涉及到两大发明:发电机和电动机——发电机将其他能源转变成电能,电动机将电能转变成机械能推动机器。而这两种机器工作的基本原理,都是建立在电磁学理论之上的。因此,发电机和电动机都是在搞清楚了电磁原理之后发明的。

电是如何被发现,并利用的?


电和磁的关系,是被丹麦物理学家汉斯·奥斯特偶然发现的,1820年,他在给学生上完课收拾仪器时,无意间发现了通电导线旁边的磁针会改变方向,并且因此发现了电流的磁效应,这成为了后来电动机的工作原理。

把电磁关系的研究推向高潮的是法拉第,他的研究成果是发现了磁生电现象,这就为发电机的出现提供了可能。但遗憾的是,天才的法拉第没有受过高等教育,数学很差,没办法把自己的理论继续推进。他的实验成果后来被麦克斯韦应用,从而建立起了现代的电磁学理论。

在电学方面,理论的大厦最终是由英国著名科学家麦克斯韦完成的。如果要问英国在牛顿之后第二个伟大的科学家是谁,恐怕要数麦克斯韦了。

电是如何被发现,并利用的?


麦克斯韦用数学公理化的方法将安培、法拉第和亨利等人的电磁学理论系统化,把电、磁和光用一组方程式,即麦克斯韦方程组统一起来。这项成就被誉为继牛顿力学之后,物理学的第二次大统一。爱因斯坦称赞麦克斯韦是对20世纪最有影响力的19世纪物理学家。

电学成就的第四个高光时刻,就是它的普及和应用。这个工作,其实是由德国和美国一批真正来自工业界,并且能够看到电的应用前景的发明家完成的。这些人认识到电是一种能量,并将它和产业革命联系起来了。

世界上第一台真正能够工作的交流发电机是由德国的发明家、商业巨子西门子设计的。和之前的发明家不同,西门子本身就是一个企业家,他搞发明更多地是为了应用。

1866年,他受到法拉第研究工作的启发,发明了交流发电机,随后就由他自己的公司制造了。从此人类又能够利用一种新的能量——电能,并且由此进入了电力时代。

1891年,美国著名发明家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla,1856—1943)所在的西屋电气公司利用他所发明的多相交流发电机开始为全美国提供照明和动力用电。

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