科学的科普（12）追本逐元（3）气体电流真空放电和沸腾的十九世纪

张武昌 2024年8月11日星期日

伏打电池的发明引发了电（磁）学研究的热潮，科学家们进行了固体电流、气体电流和液体电流的研究，上一回讲了固体电流的研究成果和对生产力的贡献，这一节介绍气体电流和真空放电。

气体电流现象很早就被人看见，闪电和极光是自然界的大气放电（电流）现象，自古以来就为人们所关注，但是不知道其所以然。

18世纪中期，B.富兰克林的风筝取电试验证明闪电是电流通过空气的现象。

伏打电池发明后，一系列的气体导电实验发现了电弧放电、辉光放电、爱迪生效应，总结出帕邢定律、汤森理论、流注理论、萨哈公式。

电弧

汉弗里·戴维Humphry Davy (1778年12月17日-1829年5月29日) 是个演讲明星，习惯用演说和演示的方式（而不是论文）向人们展示他的发现。他通常被认为是电弧arc放电的发现者，这导致了后来的发展碳棒弧灯，闪电是自然界的电弧。

1800年，他用伏打堆获得了短脉冲电弧，1907年他制成了第一台电弧灯arc lamp，是第一台真正意义上的电灯，比白炽灯要早。然而因为电弧很费电，所以电池不能持久供电，电弧灯的实际应用很有限，这也是后来被白炽灯取代的原因。

荧光灯（Fluorescent lamp），也称为日光灯。 传统型荧光灯即低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此它属于低气压弧光放电光源。

1902年，美国的休伊兹特在玻壳内装入水银蒸气，发明了弧光放电汞灯。由于这种汞灯在汞蒸气的气压较低时发出了紫外线较多，所以常作为杀菌灯使用。而当水银气压较高时，可发出很强的可见光。

现在广泛用于广场照明和道路照明的高压汞灯所发出的光是一种混合光，混合光包括水银电弧放电的光和紫外线照到涂敷在玻壳内壁的荧光材料上所发出的光。

1932年，荷兰菲利浦公司开发出了波长为590nm单色的钠灯，这种灯广泛用于公路的隧道照明。

1938年，美国的英曼发明了现在广泛使用的荧光灯。这种灯通过用水银电弧放电发出的紫外线照射涂敷在灯管内壁的不同荧光粉而发出不同颜色的光。通常，白色荧光灯用得最多。

俄罗斯圣彼得堡的瓦西里彼得罗夫在 1802 年制造了碳弧。彼得罗夫使用一堆 4200 个电化学电池来驱动当时最强大的放电。彼得罗夫 1803 年的出版物仅以俄文出版，他的作品被忽视和遗忘了一个多世纪。

1831-1835年，法拉第在研究低气压放电时第一个发现辉光放电（glow discharge）现象和法拉第暗区。但由于他没有得到高真空(只有几千分之几的大气压)，所以没有更多发现。

 辉光

辉光是低压气体中的气体放电现象。在置有板状电极的玻璃管内抽取气体形成低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中被加速（气体本身有少量自发电离）后有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。

辉光放电的特征是电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。

市面上有辉光球玩具。当用手触摸球时(人与地相连)，电流从玻璃球中的电极-气体-玻璃球壳-人体-地球形成一个电路。球周围的电场和电位分布不再均匀和对称，因此产生了一个漂亮的放电电弧，随着手指移动。而且，由于球壳与人体之间的电容很小，通过的交流电也很小，所以对人体没有危险。

辉光放电一般用于霓虹灯。

真空放电

那个年代的科学家都在研究稀薄气体中的放电现象。

1641年，伽利略的弟子托里拆利做了一个著名的实验，他在一根长玻璃管子内加满水银，然后很缓慢的将管口倒转在一个盛满水银的盆内，管子内水银柱的末端是 76 厘米高。这时玻璃管最上方无水银地带是真空状态。从此人们开始制作真空，

1654年德国人葛利克发明了活塞真空泵。他为了证明大气压的巨大力量，曾做过一次公开实验，葛利克用两个直径119cm的半球合起来，用真空泵将球内空气抽除，因而球的表面上所受的大气压力是很大的，每个半球其横向分力，每个半球用8匹马，才能向相反方向拉开。因为该实验是在德国马德堡做的，故称马德堡半球实验而闻名于世。

1855年，德国波恩大学科学仪器技术人员盖斯勒（J.H.W.Geissler，1815—1879）制造了一个简单的水银真空泵，回转水银真空泵，通过水银带走容器中的空气，一步一步形成真空环境，真空度为13Pa，并成功地将金属电极密封在玻璃管中，于1858年制造了高真空放电管。

从1858年到1859年，德国数学家和物理学家普鲁克（J.普吕克尔）用盖斯勒管进行了真空放电实验，发现面对阴极的放电管壁上有绿色荧光，磁铁可以移动荧光斑。说明玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极会发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，人们把这种射线称为阴极射线。这种管子被有钱人挂在客厅作为装饰。

1868年，普鲁克的学生希托夫发现放电起源于阴极，运动轨迹为直线。他推断荧光是由这种射线撞击玻璃管壁而产生的。

1871 年瓦尔利（C.F.Varley，1828—1883）发现阴极射线在磁场中会发生偏转，这与带电粒子的行为很相似。

1876年，德国物理学家戈德斯坦（Eugen Goldstein，1850—1930）认为这是从阴极发出的某种射线，命名为阴极射线( cathode ray)，因此这个管子又叫阴极射线管。

1879年，英国物理学家克鲁克斯进一步改进了真空泵，制造了更高真空度的阴极射线管，将一个薄云母片制成的十字放在射线的中途，阴极对面的玻璃管壁上出现十字形，说明阴极射线被阻挡后，在管壁上形成阴影。

1897年，德国的布劳恩发明了带有荧光屏的阴极射线管，能够发出一束很细的电子束，当它打在荧光屏上某一点时，该点便会发光，光点的亮度与电子束的强度成正比。电子束在外加磁场的控制下，在荧光屏上从上到下依次逐行扫描，而电子束的强度随着接收的电视信号的强度而变化，这样，接收到的图像就重现在荧光屏上，为示波器和电视奠定了的基础。随着光电摄像管和电视显像管先后诞生，终于实现了电子扫描方式的电视信号发送和传输。1939年，美国杜蒙公司终于制造出第一台电子黑白电视机。

阴极射线管在科学上的重大贡献是发现了电子和x射线，错误地导致了放射性的发现（后述）。

下一节为生物电流。