電氣時(shí)代來(lái)臨（中）

1827年，德國(guó)物理學(xué)家歐姆（1789-1854）發(fā)現(xiàn)，電荷在導(dǎo)體中流動(dòng)遵從一種十分簡(jiǎn)單的規(guī)律：電流和電壓成正比。電壓和電流之間的比例系數(shù)稱作電阻，它表示導(dǎo)體對(duì)電荷流動(dòng)所呈現(xiàn)的“阻力”。這是電學(xué)中極為重要的另一個(gè)基本定律，依據(jù)它，人們可以通過(guò)改變電阻的辦法精確地控制電流的大小，方便地調(diào)節(jié)、分配流過(guò)導(dǎo)體的電流，就像擰閥門(mén)調(diào)節(jié)自來(lái)水流量一樣。

然而這一定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程并不簡(jiǎn)單。當(dāng)歐姆著手研究的時(shí)候，習(xí)慣性地采用伏打電池作為電源，這種化學(xué)電源產(chǎn)生的電壓不夠穩(wěn)定，還會(huì)受到溫度的影響，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)似乎無(wú)規(guī)律可循。后來(lái)人們建議他采用德國(guó)物理學(xué)家塞貝克（1780-1831）在1822年發(fā)明的“熱電偶”作為電源?！盁犭娕肌笔怯蓛煞N不同金屬材料做成的裝置，利用熱產(chǎn)生電。兩種不同金屬條帶的一端固結(jié)在一起加熱，在另外兩個(gè)冷的端點(diǎn)之間就會(huì)產(chǎn)生電壓，電壓的數(shù)值與冷熱兩端的溫度差成正比，只要冷熱兩端溫度保持恒定，電壓就保持不變。1826年，歐姆用銅和金屬鉍做成一個(gè)“熱電偶”，銅和鉍相接的一端放在沸水里，另外兩個(gè)端點(diǎn)插在冰水里，溫度差總保持在100℃（當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道沸騰的水和冰水混合物都會(huì)保持各自恒定不變的溫度）。他在銅和鉍的冷端點(diǎn)之間接入粗細(xì)均勻但長(zhǎng)短不同的銅絲，仔細(xì)觀察電流的變化。他改進(jìn)了不久前剛剛發(fā)明的磁針電流計(jì)，用庫(kù)侖扭秤測(cè)量磁針的轉(zhuǎn)角，使電流測(cè)量更加精確。

1827年，歐姆出版了《伽伐尼電流的數(shù)學(xué)研究》一書(shū)，闡述了他發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)體中電流與電壓成正比的規(guī)律，并且詳細(xì)論述了金屬導(dǎo)線電阻研究的結(jié)果：粗細(xì)均勻的導(dǎo)線電阻與長(zhǎng)度成正比，與截面積成反比。歐姆的發(fā)現(xiàn)奠定了電路研究的基礎(chǔ)，但當(dāng)時(shí)德國(guó)學(xué)術(shù)界不承認(rèn)他的成果，拒絕發(fā)表他的研究報(bào)告，權(quán)威們認(rèn)為“電學(xué)中沒(méi)有如此簡(jiǎn)單的規(guī)律，而且歐姆只不過(guò)是一名中學(xué)教員”。

直到1841年，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)在多次反復(fù)研究歐姆的實(shí)驗(yàn)后授予他考普利獎(jiǎng)?wù)?，歐姆的工作才引起德國(guó)學(xué)術(shù)界的重視。到1852年，歐姆成為德國(guó)慕尼黑大學(xué)教授。兩年之后，他離開(kāi)了人世。人們?yōu)榱思o(jì)念他，把電阻的單位定為“歐姆”?！皻W姆”已經(jīng)成為今天電學(xué)中使用頻率最高的詞匯之一，然而人們卻很少想到它背后的發(fā)人深思的故事。

1831年，電磁學(xué)研究取得了突破性進(jìn)展，英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為人類找到了使機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能的有效途徑。

法拉第出生在一個(gè)貧困但溫馨的家庭，父母有10個(gè)孩子。13歲時(shí)，法拉第就到印刷廠當(dāng)了裝訂工。好學(xué)的法拉第通過(guò)三種途徑在艱難的環(huán)境里學(xué)習(xí)：一是努力閱讀他裝訂的書(shū)；二是加入當(dāng)時(shí)一位熱心傳播知識(shí)的人組織的“倫敦哲學(xué)研究會(huì)”，這位組織者經(jīng)常請(qǐng)人在自己家中介紹人們感興趣的新知識(shí)，允許研究會(huì)成員閱讀自己的藏書(shū)；三是聽(tīng)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)定期為公眾講述科學(xué)的講座。通過(guò)這些途徑，年輕的法拉第走上了與眾不同的科學(xué)探索之路。

1812年，法拉第成為著名化學(xué)家戴維（1778-1829）的助手，主要從事化學(xué)方面的研究工作；1821年，他成為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室主任。

從1820年起，歐洲掀起了研究電磁現(xiàn)象的熱潮，出現(xiàn)了各種各樣的理論。1821年，《英國(guó)哲學(xué)學(xué)報(bào)》的編輯邀法拉第寫(xiě)一篇關(guān)于電磁學(xué)研究的述評(píng)，使他轉(zhuǎn)而研究這個(gè)新的領(lǐng)域。他重復(fù)了奧斯特、安培以及其他物理學(xué)家做過(guò)的許多實(shí)驗(yàn)，在仔細(xì)分析這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，他堅(jiān)信電和磁之間還有更深刻的聯(lián)系。他認(rèn)為，不僅電流能夠產(chǎn)生磁，磁也會(huì)產(chǎn)生電，他希望用自己的實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種想法。在1821年之后的10年間，法拉第總是在實(shí)驗(yàn)室里用電池、線圈、磁鐵和磁針，反復(fù)進(jìn)行各種各樣他能夠想出來(lái)的實(shí)驗(yàn)，他希望借助磁鐵的磁性或電流產(chǎn)生的磁性，在一個(gè)與電池不相連的線圈里產(chǎn)生電流，結(jié)果一無(wú)所獲。然而與眾不同的執(zhí)著和耐心，使他毫不氣餒地進(jìn)行著單調(diào)枯燥的實(shí)驗(yàn)。

1831年8月29日，法拉第的實(shí)驗(yàn)終于取得突破性進(jìn)展。他在一個(gè)軟鐵做成的環(huán)形鐵芯上繞了兩個(gè)線圈，第一個(gè)線圈與伏打電池相連，讓電流通過(guò)；第二個(gè)線圈的一端延伸出一段距離，再返回來(lái)和另一端連在一起（中間沒(méi)有電池），在延伸的導(dǎo)線下方放一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的磁針，它距離鐵心大約1米遠(yuǎn)，這樣的距離可使磁針不受第一個(gè)線圈電流的影響，只探測(cè)第二個(gè)線圈里的電流。當(dāng)接通第一個(gè)線圈的電流時(shí)，法拉第看到磁針突然劇烈擺動(dòng)，然后平靜下來(lái)回歸原位。當(dāng)斷開(kāi)第一個(gè)線圈的電流時(shí)，磁針再次劇烈擺動(dòng)，然后平靜復(fù)歸原位。法拉第猛然意識(shí)到，磁針的擺動(dòng)是由第一個(gè)線圈中電流的變化引起的，不同于當(dāng)年奧斯特發(fā)現(xiàn)電產(chǎn)生磁的情況，法拉第發(fā)現(xiàn)的是磁力變化引起電流。

緊接著，法拉第又進(jìn)行了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)磁鐵插入或拔出線圈的時(shí)候，線圈里也會(huì)出現(xiàn)電流；如果線圈繞在一段鐵棍上，鐵棍兩端分別與兩個(gè)磁鐵相接，當(dāng)這兩個(gè)磁鐵的另一端合攏或離開(kāi)時(shí)，線圈中會(huì)出現(xiàn)電流；當(dāng)一個(gè)銅盤(pán)在磁鐵的兩個(gè)磁極之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，銅盤(pán)上也會(huì)產(chǎn)生電流，實(shí)際上，這就是最早的發(fā)電機(jī)。

1831年11月24日，法拉第在向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交的報(bào)告中，把這種磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象稱為“電磁感應(yīng)”，并且概括了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種途徑：電流變化、磁場(chǎng)變化、流過(guò)恒定電流的導(dǎo)線空間位置變化、磁鐵運(yùn)動(dòng)以及使導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，法拉第已經(jīng)告訴了人們發(fā)電的五種方法，其中第五種已經(jīng)成為今天全世界共同采用的發(fā)電方式，目前人們使用的電主要用這種方法得到。

法拉第一生淡泊名利，執(zhí)著地探尋大自然的奧秘，為人類進(jìn)入電氣時(shí)代鋪就了最重要的一塊基石。他謝絕了英國(guó)王室授予的“爵士”頭銜，謝絕了英國(guó)科學(xué)界希望他出任皇家學(xué)會(huì)主席的美意，只為自己保留兩個(gè)職位：一個(gè)是皇家學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室主任，另一個(gè)是負(fù)責(zé)為青少年安排科學(xué)講座的秘書(shū)。

1865年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋（1831-1879）發(fā)現(xiàn)，在庫(kù)侖、奧斯特、安培、歐姆和法拉第分別發(fā)現(xiàn)的規(guī)律之間，有一種深刻的內(nèi)在聯(lián)系。他把這些定律歸納成一組統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程式，從這組方程式中解出一個(gè)令人驚異的結(jié)果：變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，交替變化的電磁場(chǎng)以光的速度向外傳播，成為電磁波；這種波的傳播方式與聲波不同，不需要物質(zhì)作為媒介，可以在真空中傳播。麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在，而且認(rèn)為光本身就是一種電磁波。他在自己的方程式中，算出電磁波傳播的速度應(yīng)為每秒31.1萬(wàn)千米，與物理學(xué)家裴索（1819-1896）于1849年測(cè)得的光速每秒31.5萬(wàn)千米非常接近。

從伽利略時(shí)代開(kāi)始，科學(xué)家即依靠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，電磁學(xué)發(fā)展的早期，完全遵循著這條道路。隨著數(shù)學(xué)的進(jìn)展，科學(xué)家開(kāi)始以實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律為依據(jù)，運(yùn)用新的數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行高度抽象的邏輯推理探尋自然奧秘，一批精通數(shù)學(xué)的理論物理學(xué)家應(yīng)運(yùn)而生，這標(biāo)志著人類探究自然的歷程達(dá)到了一個(gè)新的高度。

1888年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲（1857-1894）用實(shí)驗(yàn)證明電磁波的存在，驗(yàn)證了麥克斯韋的理論。赫茲設(shè)計(jì)了一個(gè)十分巧妙的實(shí)驗(yàn)，用充電的萊頓瓶通過(guò)火花放電，激發(fā)金屬導(dǎo)體組成的電路產(chǎn)生電流振蕩；在幾米之外放置接收這種振蕩信號(hào)的探測(cè)器。如果電磁波真的存在，那么當(dāng)接收器的固有頻率和電流振蕩的頻率一致時(shí)，振蕩電路激發(fā)的電磁波就會(huì)在探測(cè)器上感應(yīng)高電壓，從而在它的間隙上產(chǎn)生火花放電。然而，無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)都失敗了，赫茲總也看不到探測(cè)器上的電火花。

有一天，新婚的妻子拉著疲憊不堪的赫茲離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室到花園散步，心不在焉的赫茲看見(jiàn)空中一群飛來(lái)飛去的小蟲(chóng)，問(wèn)：“這是什么？”妻子說(shuō)：“它們是螢火蟲(chóng)。”他又問(wèn)：“為什么看不見(jiàn)它們發(fā)光？”妻子說(shuō)：“白天不是也看不見(jiàn)星星嗎？”赫茲如夢(mèng)初醒，徑直跑回實(shí)驗(yàn)室，拉上厚厚的窗簾，重新開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。果然，在昏暗的背景下，他看到了探測(cè)器上微弱的電火花。

無(wú)數(shù)個(gè)夜晚，赫茲一次又一次地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在振蕩電路和探測(cè)器之間放置各種物體，觀察它們對(duì)電磁波傳播的影響。他觀測(cè)到金屬平板使電磁波發(fā)生反射，絕緣體大棱鏡使電磁波發(fā)生折射，金屬凹面鏡使電磁波發(fā)生聚焦。他又根據(jù)振蕩電路的頻率和測(cè)量出的電磁波波長(zhǎng)，計(jì)算出電磁波傳播的速度，與當(dāng)時(shí)人們測(cè)得的光速相同。

1888年1月，赫茲發(fā)表了他的最終研究結(jié)果。遺憾的是，此時(shí)麥克斯韋已經(jīng)去世9年，他沒(méi)有見(jiàn)到自己預(yù)言的電磁波。

從馬申布洛克到赫茲，科學(xué)家以各自不同的方式探索電和磁的奧秘，發(fā)明家以豐富的想象力，把新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)變成前所未有的技術(shù)。電從科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室一步一步走進(jìn)充滿生機(jī)的世界。

伏打電池出現(xiàn)后的第四年，人們發(fā)明了用電傳輸信息的方法。

1804年，西班牙發(fā)明家薩爾瓦發(fā)明了最早的電報(bào)。他用27條長(zhǎng)長(zhǎng)的電線傳送簡(jiǎn)短的信函，這些電線的一端浸泡在酸水里，其中有一條導(dǎo)線的另一端固定在電池的一極，其余26條線分別代表26個(gè)拉丁字母，傳送字母時(shí)，它們與電池的另一極相連。當(dāng)某個(gè)線頭與電池相連時(shí)，另一端的線頭由于發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)，有氣體在線頭析出，因此會(huì)在酸水里冒泡。薩爾瓦就是利用這種辦法，把文字傳送到了1000米之外的地方。

1807年，英國(guó)化學(xué)家戴維發(fā)明了電解技術(shù)，他利用電池產(chǎn)生的電流使溶液中的物質(zhì)分解，使構(gòu)成化合物的成分從溶液中分離。用這種方法，戴維得到了在自然界中很難找到的金屬鈉和鉀。這種用電流“拆開(kāi)”物質(zhì)的辦法非常有用，它使人們能夠用簡(jiǎn)便的方法，把宇宙中眾多的化合物，還原成構(gòu)成它們的組分。今天人們使用的金屬鋁，就是電解熔融的三氧化二鋁礦石得到的。如果有一天人類到達(dá)遙遠(yuǎn)的星球時(shí)，大可不必自帶氧氣，只要在那里找到水，用電解水的方法就可得到維系生命所必需的氧。

差不多與此同時(shí)，戴維還發(fā)明了電鍍技術(shù)，用電學(xué)方法使一種金屬均勻牢固地附著在另一種金屬表面。

電鍍技術(shù)在本質(zhì)上是借助電流在液體中“搬運(yùn)”物質(zhì)的技術(shù)。戴維在溶液中放置兩種不同的金屬，分別與電池的兩極相連，電流通過(guò)溶液時(shí)，一種金屬會(huì)變成溶液中的離子轉(zhuǎn)移到另一種金屬表面析出，并牢牢地固結(jié)在另一種金屬的表面。通過(guò)控制電流的大小，可以精確控制鍍層的厚度。利用它，可以為鋼鐵表面鍍金、鍍銀、鍍銅、鍍鎳或鍍鉻。這樣，不僅可以使鋼鐵制造的器物表面光潔美觀，避免銹蝕，而且還可以改變它的表面硬度，使其更加耐磨。利用電鍍技術(shù)，人們還可以在溶液中靜悄悄地“鑄造”出精美奇特的藝術(shù)品和機(jī)器零件。

1808年，人類開(kāi)始探索用電照明的方法。這一年，戴維發(fā)明了66c29fc6f66ea9ee08cb13d5155da9bab529779cf3d800706268c24178e7a67c最早的電弧燈。他把幾十個(gè)伏打電池串聯(lián)在一起，構(gòu)成可以產(chǎn)生高電壓的組合電池。電池的兩極，各接一根石墨做成的碳棒，當(dāng)這兩根碳棒的尖端相互接近到一定距離時(shí)，在間隙處就會(huì)突然出現(xiàn)明亮耀眼的弧光。這是由于空氣在電池的高電壓作用下分解成導(dǎo)電的離子，使絕緣的間隙成為電流的通路，伴隨著通過(guò)間隙的強(qiáng)大電流，電弧產(chǎn)生高溫，就會(huì)使更多的空氣電離，發(fā)出明亮的光。不同于稍縱即逝的靜電火花，弧光能夠持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，它的空間位置十分穩(wěn)定，可以照亮一大片地方。

弧光是一種可以控制、連續(xù)發(fā)生的微型閃電，它是人類最早制造的不用燃料的光源。

然而，弧光燈點(diǎn)燃之后，電弧迅速燒蝕碳棒，使碳棒間隙不斷加大，電池的電壓不足以維持放電，不久弧光就會(huì)熄滅，而戴維對(duì)此無(wú)能為力。后來(lái)，英國(guó)發(fā)明家施泰特用一個(gè)發(fā)條驅(qū)動(dòng)鐘表機(jī)構(gòu)推動(dòng)其中一根碳棒，在發(fā)出弧光時(shí)緩慢向另一根碳棒靠近，使它們?cè)跓g過(guò)程中保持間距不變，以維持長(zhǎng)時(shí)間發(fā)光。不久，他又用一根銅絲做成的彈簧直接推動(dòng)碳棒，利用電弧發(fā)出的熱量使彈簧膨脹產(chǎn)生位移，自動(dòng)補(bǔ)償碳棒燒蝕產(chǎn)生的空間距離變化，使弧光保持穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)發(fā)明家的改進(jìn)，弧光燈終于出現(xiàn)在英國(guó)倫敦和法國(guó)巴黎的街道，成為當(dāng)時(shí)的動(dòng)人景觀。

1832年，法國(guó)人皮克希（1808-1835）發(fā)明了可以連續(xù)產(chǎn)生電流的最早的發(fā)電機(jī)，他是第一個(gè)賦予法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象以實(shí)用價(jià)值的人。1835年，美國(guó)人達(dá)文波特（1802-1851）發(fā)明了實(shí)用的電動(dòng)機(jī)。

有了電動(dòng)機(jī)，人們可以安然自如地使用自然界提供的動(dòng)力，不必永遠(yuǎn)守著喧鬧而且冒著黑煙的蒸汽機(jī)。這種新的動(dòng)力機(jī)械啟停方便，操縱靈活，可以同各種裝置配合在一起構(gòu)成多種多樣的新機(jī)器。

電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，使人們遠(yuǎn)遠(yuǎn)地望見(jiàn)了電氣時(shí)代的曙光。（未完待續(xù)）