科学的科普（11）追本逐元（2）固体电流和沸腾的十九世纪

张武昌2024年8月4日星期日

意大利博洛尼亚大学伽伐尼教授的实验室里有像起电机、莱顿瓶等一样的电设备，经常利用电击研究生物反应，发现静电能使活体的肌肉痉挛。1786年秋季的一天，伽伐尼教授双手中不同材质的金属器械无意中碰到（已经解剖过被认为已经死去的）青蛙的大腿时，青蛙腿部的肌肉居然抽搐了一下。伽伐尼教授认定蛙腿受到电的刺激才抽搐。那么电又是从哪里来呢？

伽伐尼教授在不同时间、不同条件进行反复试验。无论晴天还是雷雨天，在屋外还是封闭的房间，相同的现象重复出现。于是伽伐尼教授认定这个电不是外来电，而是动物本身所有的动物电，两种不同金属与之接触，就把这种电激发出来了。几年后，伽伐尼把长期从事青蛙腿痉挛的研究成果写成一篇名为《论肌肉中的电力》的论文，并发表在媒体上。文中首次提到“动物电”这一概念。

后觉得，“动物电”理论要进一步用实验来验证。通过多次实验，伏打开始怀疑伽伐尼的观点。“看来，要完成伽伐尼的动物电实验，必须用两种不同的金属。如果用两种相同的金属就不会引起蛙腿的收缩。”伏打得出这样的结论。因为他

伏特（伏打，本文中混用，读者见谅）电堆是1800年3月20日意大利教授伏打（Alessandro Volta，1745-1827）发明的世界上第一个发电器（电池组），由多层银和锌叠合而成，其间隔有浸渍水的物质，亦称伏打电池。

伏特阅读伽伐尼的论文，在研究动物电现象以后发现，电产生于不同的金属与潮湿物体间的接触，蛙腿只起到了检验金属是否带电(即检电器）的作用。

伏打经过实验创立了一个了不起的电位差理论：不同金属接触，表面就会出现异性电荷，也就是说有电压(原理为接触电势。两种不同金属中的电子在接界处互相穿越的能力有差别，造成电子在界面两边的分布不均，缺少电子的一面带正电，过剩电子的一面带负电。当达到动态平衡后，建立在金属接界上的电势差叫接触电势)。

他还找到了这样一个序例：铝、锌、锡、镉、锑、铋、汞、铁、铜、银、金、铂、钯。在这个序列中任何一种金属与后面的金属相接触（或用导线连接）时，总是前面的金属带上正电，而后面的金属带负电，这是世界上第一个电气元素表。

伏特把一个锌环放在一个铜环上，再用一块浸透盐水的纸（或呢绒）环压上，再放上锌环、铜环，如此重复下去叠成一个柱状，两端用导线连接便产生了明显的电流。这柱叠得越高，电流就越强。这就是伏打电堆或伏打电池。

1800年3月20日，伏打正式对外宣布电流的原理：电荷就像水，在电线中流动，会由电压高的地方向电压低的地方流动，产生电流，即为电势差。他写成一篇论文《论不同金属材料接触所激发的电》，寄给英国皇家学会，受到当时皇家学会负责论文工作的一位秘书尼克尔逊的有意搁置，后来伏打以自己名义发表，终于使尼克尔逊的窃取行为遭受学术界的唾弃。

当年11月20日，法国皇帝拿破仑在巴黎召见伏打当面演示电堆实验。拿破仑看后非常激动，当场命令法国学者成立专门的委员会，进行大规模的相关实验，并给伏打颁发6000法郎奖金和勋章，发行以伏打像为主体的纪念金币。1881年国际电学大会将电动势(电压)单位取名伏特（V）。

伏特提出了著名的伏特定律，只要有了电位差、电势差，即电压（V），就会有电流（I），它们和电阻（R）之间的关系为I = V / R，为电学领域的进一步研究奠定了基础。

此后，人们对电的认识一下于就跃出了静电的领域（上一讲中的电的传导不是闭合电流，电荷在介质中平衡分布后就停止传导），就不再是摩擦毛皮上的电、雷雨中的电、莱顿瓶里的电、也不只是动物身上的电，而是能控制的流动的电。 从此，电学研究从对静电的研究进入到对动电的研究，伏打电堆把电学引进了一个新时代，开启了一场真正的科学革命。1831年，电流还没有什么重要的实际应用，科学家阿拉果在一篇文章中如此赞美伏打电堆：“……这种由不同金属中间用一些液体隔开而构成的电堆，就它所产生的奇异效果而言，乃是人类发明的的最神奇的仪器。”

用电流传递信息

在闭合电流发明之前，人们首先想到根据静电（不闭合的电流）的有无来传递信息。早在1753年，一名英国人便提出使用静电来拍发电报：使用26条电线分别代表26个英文字母，发报方按文本顺序在不同字母的电线上加以静电，接收方在各电线接上小纸条，静电到来时，纸条因静电而升起，接收方便记录下该字母。这一设想于1774年由一个瑞典发明家实现，当电流从代表某个字母的电线流过，它会给与之相连的一个小球充电，从而传递这个字母的信号。这是最早的电报，但是没有广泛应用。检流计1820年发明以后，1832年俄国外交家希林制作出了用电流计指针偏转（电流的变化）来接收信息的机器，但是26条电线的方案导致可行性几乎为零。

经过多年的努力，1840年4月，萨缪尔·莫尔斯申请了电报专利。这个电报设计方案的原理是用一根电线传送最简单的电脉冲（也就是通过开关电路造成电流的有无和电流持续时间的长短）编码26个字母，而不是使用26根电线。1844年5月24日，在美国国会大厅里成功举行了一次隆重的电报机通信实验，莫尔斯接通电源，向巴尔的摩发出了人类历史上的第一份有线电报：上帝创造了何等的奇迹！（What hath God wrought! ）。不要看这只是一份普普通通的电报，它更重要的意义在于：为人类开启“信息时代”的大门，电子计算机（1946年）就是基于这个原理集成得出的。

1820年电生磁

上一讲讲过，吉尔伯特对磁现象与电现象进行深入分析对比后断言电与磁是两种截然不同的现象，没有什么一致性。之后，许多科学家都认为电与磁没有什么联系，连库仑也曾断言，电与磁是两种完全不同的实体，它们不可能相互作用或转化。

1731年，一名英国商人发现，雷电过后，他的一箱刀叉竟然有了磁性。

1751年，富兰克林发现莱顿瓶放电可使缝衣针磁化。这一现象对丹麦物理学家汉斯·奥斯特(H．C．Oersted，1777－1851)很有启发，他认为电向磁转化不是“能不能”的问题，而是“如何实现”的问题。

1820年4月的一天晚上，奥斯特把导线与磁针平行放置，然后接通电源，小磁针微微地跳动，转到与电流垂直的方向。终于在多次试错之后，奥斯特找到了电流产生磁的证据和方法。1820年7月21日奥斯特发表了题为《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文，用四页纸的篇幅简洁地报告了他的实验，宣布了电流的磁效应。1820年7月21日作为一个划时代的日子载入史册，它揭开了电磁学的序幕，标志着电磁学时代的到来。

奥斯特的发现轰动了整个欧洲，对法国学术界的震动尤大，法国物理学家阿拉果在瑞士听到了奥斯特发现电流磁效应的消息，十分敏锐地感到这一成果的重要性，随即于1820年9月初从瑞士赶回法国。9月11日即向法国科学院报告了奥斯特的这一最新发现，他详细地向科学院的同事们描述了电流磁效应的实验。阿拉果的报告，在法国科学家中引起了很大反响。当时，以科学上极为敏感、最能接受他人成果而著称的安培(A．M．Ampere，1775－1836)对此作出了异乎寻常的反应，他于第二天就重复了奥斯特的实验，并加以发展，在一周内于9月18日向法国科学院报告了第一篇论文，阐述了他重复做的电流对磁针的实验，并提出了圆形电流产生磁性的可能性。安培在这个实验中发现磁针转动的方向与电流方向的关系服从右手定则，即是后人称它为“安培右手定则”。

安培的研究为电流测量提供了理论基础。1820年，安培首先引入了电流、电流强度等名词，还制造了第一个可（粗略）测量电流的电流计或检流计galvanometer，根据电生磁的原理，有电流存在时，旁边的磁针会偏转，偏转的幅度能大体反映电流的强弱，但无法给出电流大小的精确数值。检流计中的代表是1821年德国物理学家施威格发明的检流计。1881年，在巴黎召开的第一届国际电学会议决定用安培命名电流单位。

安培还提出了分子电流假说，认为电和磁的本质是电流。1827年他的《电动力学理论》一书出版，该书被认为是19世纪20年代电磁理论的最高成就。

法拉第从奥斯特的发现中得到了启发，认为在电生磁的实验中，假如磁铁固定，线圈就可能会运动。根据这种设想，1821年，他成功地发明了一种简单的装置，只要有电流通过线路，线路就会就会产生磁性从而绕着一块磁铁不停地转动。这是世界上第一台电动机（使用电流将物体运动的装置），虽然装置简陋，但它却是现今所有电动机的祖先。英国电学家斯特金通过实验，将电能转化为磁能，在1823年发明了电磁铁。

1831年，美国电学家亨利以伏打电池为电源，并引用了电磁铁，试制出一台电动机模型，产生的动能比法拉第的装置要大，向实用电动机的发展迈进了一步。

1834年，苏格兰人 托马斯·德文博特 利用简陋的电动机制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动。受当时条件所限，这辆电动三轮车只能行驶几百米的距离。电动汽车的历史比内燃机汽车早了半个多世纪，虽然早期没有形成气候。

1825年欧姆定律

欧姆研究电流产生的电磁力与导线长度的关系，在德国科学家施威格发明的检流计启发下，他把奥斯特关于电流磁效应的发现和库仑扭秤方法结合起来，设计了一个电流扭力秤，用它测量电流强度。欧姆从初步的实验中发出，电流的电磁力与导体的长度有关。

欧姆改进了伏打电池，保证电源的电动势稳定不变。1825年，欧姆发表第一篇论文《涉及金属传导接触电的定律的初步表述》，论述了电流的电磁力的衰减与导线长度的关系。进而，他通过实验测定了不同金属的电导率。1826年，欧姆的第二篇论文《金属导电规律的确定及伏打电池和施威格检流计的理论要点》发表了。第二年，又发表了第三篇论文，题目是《伽伐尼电池的数学论述》，终于总结出了欧姆定律。1881年国际电学大会将电阻的单位定为欧姆（Ω）。

1831年磁生电

1831年，英国科学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday 1791~1867)发现了磁产生电的方法。只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就会产生感应电流。这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应，产生的电流叫作感应电流。

此后不久，法拉第发明了世界上第一台发电机------法拉第圆盘发电机。在紫铜圆盘的圆心处固定一个摇柄，圆盘的边缘和圆心处各与一个黄铜电刷紧贴，用导线把电刷与电流表连接起来。将该紫铜圆盘放置在蹄形磁铁的磁场中。转动摇柄使紫铜圆盘旋转起来时，电路中产生了持续的电流，电流表的指针发生偏转。

1866年西门子发明了首个实用型发电机，这个发明让点电走进了千家万户。

1841年电流的热效应

电流通过导体时会产生热量，这叫做电流的热效应，1841年，英国物理学家焦耳发现载流导体中产生的热量Q（称为焦耳热）与电流I 的平方、导体的电阻R、通电时间t成正比，这个规律叫焦耳定律。

1860年，英国人斯旺把棉线碳化后做成灯丝装入玻璃泡里发明了碳丝灯泡。由于当时的真空技术不高，时间一长，灯丝就会在灯泡里氧化而烧掉。随着灯丝研究和真空技术的进步，白炽灯最终达到了实用化。

1879年，爱迪生发成功地把白炽灯泡的寿命延长到了40小时以上，从此市民使用上了电灯。

1910年，美国的库利厅用钨丝做灯丝，发明了钨丝灯泡。

电的计量和1881年巴黎第一届国际电学会议

电磁学中单位和单位制极为混乱，几经变革，走过了一条曲折的道路。

1832 年，高斯的论文《换算成绝对单位的地磁强度》指出：必须用根据力学中的力的单位进行的绝对测量来代替用磁针进行的地磁测量。他为此提出了一种以毫米、毫克和秒为基本单位的绝对电磁单位制。高斯的主张得到了 W.韦伯的支持，韦伯把高斯的工作推广到其他电学量。

1861 年，英国的布赖特（C.Bright）和克拉克（L.Clark）发表《论电量和电阻标准的形成》，倡议建立一种统一的实用单位。他们的倡议得到了 W.汤姆孙的支持。于是1861年英国科学促进会成立了以 W.汤姆孙为首的六人电标准委员会，其宗旨是统一电阻和电容的标准，建立恰当的实用单位，并确定绝对单位和实用单位的换算关系。这个委员会主张用厘米-克-秒作为基本单位。

在六人电标准委员会的倡议下，英国科学促进会采用如下一些实用单位：

电阻用欧姆，1 欧姆 = 109 厘米-克-秒电磁单位制的电阻单位；

电势用伏特，1 伏特 = 108 厘米-克-秒电磁单位制的电势单位。

1875 年米制公约的签署促进了电学单位统一的进程。1881 年巴黎第一届国际电学家大会批准了英国科学促进会的方案，并决定再增加电流的实用单位安培，电量的实用单位库仑和电容的实用单位法拉。

至此，电磁学进入标准计量时代，成长为成熟的科学。

1886年电磁波

苏格兰科学家James Clerk Maxwell詹姆斯·克拉克·麦克斯韦大约于1855年接连发表了电磁场理论的三篇论文：《论法拉第的力线》（1855年12月至1856年2月）、《论物理的力线》（1861至1862年）、《电磁场的动力学理论》（1864年12月8日）。这些论文对前人和他自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学方程表达了出来，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。他预测电磁场的周期振荡即电磁波的存在，一旦发出就会通过空间向外传播，速度接近300000公里（186000英里）/秒，他认识到这同所测到的光速是一样的。由此他得出光本身是由电磁波构成的这一结论。麦克斯韦方程不仅是电磁学的基本定律，也是光学的基本定律。

1886年，德国物理学家赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验，发明了电磁波的发生器和探测器，证明了电磁波的存在。

电磁波发生器描述如下：两块锌板，每块都连着一根终端装有铜球的铜棒，两个铜球离得很近。两根铜棒分别与高压感应圈的两个电极相连。

电磁波探测器描述如下：一个弯成环状、两端装有铜球的铜棒，两个铜球间的距离可用螺旋调节。

合上发射器的电源开关（电流强度改变）时，两个铜球间闪出耀眼的火花，发出劈劈啪啪的响声。探测器的两个铜球距离合适时，铜球之间的空隙出现微弱的电火花。

1888年1月，赫兹整理自己的理论和实验报告，在柏林科学院进行了报告。爱因斯坦评论说：“在现代物理学家看来，电磁波正像他坐的椅子一样实在”。后来赫兹的名字被用来定义频率的单位或每秒的周期数，缩写为“ Hz”。

无线电的第一个用途是传递信息

1894年，意大利发明家Guglielmo Marconi（伽格利耶尔摩·马可尼）发明了第一个成功的无线电报系统。1896年6月2日，马可尼为其发明申请了一项专利 “发射电脉冲和信号及其设备的改进”，这一天被视为无线电（通讯）发明的日期。马可尼与德国电气工程师卡尔·布劳恩因此获得了1909年诺贝尔奖物理学奖。为了纪念马可尼，如今月球上的一颗陨石坑就是以马可尼为命名。

1912年4月15日，泰坦尼克号撞上冰山时，船上的两家无线电运营商都不是白星号的雇员，而是被马可尼国际海洋通信公司雇佣。正是他们的无线电求救信号被RMS Carpathia接收，从而最终使船上有711人得以被营救。1906年圣诞节前夕，全球第一个无线广播（电磁波）出现了。加拿大发明家Reginald Fessenden使用调幅或AM广播从马萨诸塞州广播到大西洋的船只。调频收音机是美国人埃德温·阿姆斯特朗发明。第一颗无线电通信卫星”Telstar“（电星1号）于1962年发射，

无线电的第二个用途是探测

1904年侯斯美尔（Christian Hülsmeyer）发明电动镜（telemobiloscope），利用无线电波回声探测的装置看到（探测）远处的东西，当时的主要目的是防止海上船舶相撞。

1922年马可尼在美国电气及无线电工程师学会（American Institutes of Electrical and Radio Engineers）发表题为“可防止船只相撞的平面角雷达”的演说。

1922年美国泰勒和杨建议在两艘军舰上装备高频发射机和接收机以搜索敌舰。

1931年美国海军研究实验室利用拍频原理研制雷达，开始让发射机发射连续波，三年后改用脉冲波。

1935年法国古顿研制出用磁控管产生16厘米波长的信号，可以在雾天或黑夜发现其他船只。这是雷达和平利用的开始。

1935年英国罗伯特·沃特森·瓦特发明第一台实用雷达。

1936年1月英国罗伯特·沃特森·瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。英国空军又增设了五个，它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。

1937年马可尼公司替英国加建20个链向雷达站。

1924年英国阿普利顿和巴尼特通过电离层反射无线电波测量电离层（ionosphere）的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。1925年伯烈特（Gregory Breit）与杜武（Merle Antony Tuve）合作，第一次成功使用雷达，把从电离层反射回来的无线电短脉冲显示在阴极射线管上。

下期预告，气体电流和沸腾的十九世纪