电的故事(1):静电,导体,绝缘体。
本文将带你一步步回顾电的历史和轶事,故事就从我们身边的静电开始。
1703年,牛顿出任英国皇家物理学会会长后,将自己的人放在了关键位置,35岁的弗朗西斯·豪克斯比负责演示实验。
豪克斯比每周都绞尽脑汁,用引人注目的实验来打动老板。他想出了这个实验,用一个旋转的玻璃球,用一个新的机器把球里的空气抽出来,旋转玻璃球。当房间里所有的蜡烛熄灭时,Hauksbee把手放在玻璃球上。玻璃球中有一种奇怪的缥缈的光,开始在他的手周围形成,并不断跳动。在场的人从未见过这种光,这种现象在当时被视为上帝的杰作。
豪克斯比从未意识到他的实验的重要性。他对这个奇妙的发光球体失去了兴趣,转而用其他实验来验证牛顿的其他理论。他万万没想到,随着欧洲启蒙运动的开始,这个实验不经意间开启了一场电气革命。
具有讽刺意味的是,Hauksbee的新机器没有被大多数知识分子接受,却吸引了魔术师和街头艺人,他们自称是电工。
在一次为奥地利伯爵举行的晚宴上,电工在桌子上放了一些羽毛,用丝手帕擦了擦玻璃棒,然后用玻璃棒把羽毛举起来,让客人们大吃一惊。然后他用Hauksbee的设备给自己通电,给客人点了一下,大概是为了兴奋的尖叫。最后,这是他的杰作。他把一杯白兰地放在桌子中间,再次通电,用指尖的火花点燃了白兰地。
其实Hauksbee的实验产生了静电荷,但早在古希腊的早期鼎盛时期,这种难以分辨、转瞬即逝的神秘静电现象就已经被记录下来,成为了一个特殊的研究对象。公元前600年,杰出的哲学家和天文学家泰勒斯在米利都繁荣的爱奥尼亚港观察到一种罕见的橙色琥珀,坚硬透明,如同宝石。赛勒斯发现,当他用一块布快速摩擦琥珀时,它似乎活了过来,同时有轻微的物体,如羽毛、稻草或树叶,飞向它并粘在它身上,然后轻轻地离开并飘走。
回到豪克斯比时代,电气狂热席卷欧洲,演出也越来越隆重。有了欧洲的启蒙,电工们开始思考更深层次的问题,不仅是如何让演出更加精彩,还有如何驾驭这种神奇的力量。甚至有人开始思考如何用理性解释现象,这种现象除了娱乐的神奇火花还有什么作用。
伦敦市中心卡特济贫院的一名破产的丝绸染匠发现了电的导电特性,并定义了绝缘体和导体的概念。
斯蒂芬·格雷出生在英国坎特伯雷的一个手工业家庭。在接受了一些基础教育后,我跟随父亲当了一名染衣学徒,后来成为了一名非常成功的丝绸染坊工人。他对自然科学非常感兴趣,工作时丝绸中静电产生的火花令他着迷。
不幸的是,一场严重的事故结束了他的职业生涯,让他身无分文,晚年寄宿在卡特济贫院。在过去的400年里,这所济贫院一直收容着年幼的孤儿和老人。18的20世纪20年代,这里成了斯蒂芬·格雷的家,开始了他的新生活。
在济贫院平静的生活中,格雷有足够的时间进行自己的电学实验。
有一次,他在一大群观众的注视下开始了他的实验性表演。斯蒂芬·格雷造了一个大木架,在顶梁上挂了两个秋千,绳子是用丝做的。他还有一台Hauksbee机器来产生静电。他让济贫院的一个孤儿横跨两个秋千躺着,在他面前放一些金箔,然后他转动豪克斯比机器的手柄,通过连杆给男孩通电。这个实验被称为“飞行男孩”实验。
男孩的手靠近金箔,金箔跳到男孩的手指上,很快弹开。甚至有观众表示,看到小火花在男孩和金箔之间飞舞。演出精彩而成功。
但格雷是一个探索型的人,他不沉迷于表象带来的快感。他认为它有其他含义。电可以移动,从电机到男孩的身体,再到男孩的手,但是丝绳阻止了它。
神秘的电流可以通过一些物体,但不能通过另一些。所以格雷把物质分为两类。他称它们为绝缘体和导体。绝缘体将电荷保留在自己体内,不让它通过,如丝绸、头发、玻璃和树脂。相反,导体允许电流流动,比如男孩和金属。
他进一步用玻璃管和象牙球之间的其他材料做实验,使用了铁、铜线、铜币、锡和银等金属;是的,它们传输电流,而不是导体。那就试试非金属,比如石头,还有一些青菜,不导电,是绝缘体。
这种划分非常重要,一直延续到今天。
后来,格雷把不同长度的铜线放在玻璃和象牙球之间做实验,验证电能传导多远。他当时只有800英尺的铜线,还能看到电可以传导的现象。就这样,他发现了电能传导现象。
格雷将他的余生致力于电学研究。
在20世纪30年代,格雷的实验震惊了所有观众,但他有一个令人沮丧的缺点。虽然格雷尝试了很多次,但他无法长时间储存自己产生的电能。电从马达传到男孩身上后不久就消失了。人们是如何发现如何储存电能的?它不是发生在英国,而是发生在台湾海峡对面的欧洲大陆。
待续...
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