电学的研究历史
阿拉伯人可能是最早了解闪电本质的人。他们也可能比其他族群更早认识到其他电力来源。早在15世纪前,阿拉伯人创造了阿拉伯语单词“raad”代表“闪电”,并用这个单词来称呼鱼雷。
在地中海地区的古文化中,很早就有文字记载,用猫毛摩擦琥珀棒会吸引羽毛等物质。公元前600年左右,泰勒斯,640-546B。古希腊哲学家c)对静电进行了一系列观察。根据这些观察,他认为摩擦使琥珀被磁化。这与磁铁矿等矿物的性质非常不同;磁铁矿具有天然磁性。泰勒斯的观点不正确。但后来,科学会证实磁和电的密切关系。18世纪,西方开始探索电的各种现象。
1732年,美国科学家本杰明·富兰克林(1706 ~ 1790)认为电是一种没有重量的流体,存在于一切物体中。当一个物体获得比正常情况下更多的电时,称为带正电;如果少于正常量,则称为负电荷。所谓“放电”,就是正电流到负电荷(人为指定)的过程。这个理论并不完全正确,但是正电荷和负电荷这两个名字被保留了下来。这个时期的“电”概念是一个物质命题。富兰克林做了许多实验,第一次提出了电流的概念。富兰克林的说法确实可以令人满意地解释当时的一些电学现象,但对电的本质的理解与我们的观点相反,即当两个物体相互摩擦时,容易移动的恰恰是带负电荷的电子。
1752年,他提出了风筝实验(据说没有实际证据证明富兰克林做过这样的实验。)。在实验中,其他科学家将装有钥匙的风筝放入云中,被雨水打湿的金属线在手指和钥匙之间引出空中的闪电,证明了空中的闪电和地面上的电是一样的。后来根据这个原理,他发明了避雷针。
富兰克林让别人做了很多实验,进一步揭示了电的本质,提出了电流这个术语。富兰克林对电学的另一大贡献,就是通过设计著名的1752的风筝实验“抓住天空的电”,证明了天上的闪电和地上的电是一回事。科学家用金属丝把一只大风筝放入云中。电线下端连着一根绳子,电线上挂着一串钥匙。当时,富兰克林一只手握着绳子,另一只手轻轻地摸着钥匙。于是这位科学家立刻感觉到了猛烈的电击(电击),看到手指和钥匙之间出现了小火花。而且,科学家的手被弹开了。这个实验表明,被雨水浸湿的风筝金属线变成了导体,在手指和钥匙之间的空气中引出了闪电的电荷。这在当时是轰动一时的事件。一年后,富兰克林总结并制成了世界上第一根避雷针。
电流现象的研究对人们深入研究电学和电磁现象具有重要意义。意大利解剖学教授加尔瓦尼(1737-1798)最早开始了这项研究。加尔瓦尼的发现源于1780年一次非常常见的闪电现象。闪电导致加尔瓦尼解剖室的桌子上一只青蛙的腿痉挛,桌子上放着钳子和镊子。他严谨的科学态度让他没有放弃对这种“偶然”的奇怪现象的研究。他花了整整12年的时间研究青蛙腿这样的肌肉运动中的电作用。最后,他发现,如果让神经和肌肉接触两种不同的金属(比如铜丝和铁丝),青蛙的腿就会痉挛。这种现象是在电流回路中产生的。然而,加尔瓦尼仍然无法回答这种当前现象的原因。他认为青蛙腿痉挛是“动物电”的表现,金属线组成的电路只是一个放电电路。
加尔瓦尼的观点在当时的科学界引起了巨大反响。然而,另一位意大利科学家伏打(1745 ~ 1827)不同意加尔瓦尼的观点。他认为电存在于金属中,而不是肌肉中。两种明显不同的意见在科学界引起争议,将科学界分成两派。1799年,意大利科学家伏特用一块含有盐水的湿抹布夹在银和锌的圆形极板中间,叠放成一个圆柱体,制成了世界上最早的电池——伏特电池。1800年春天,伏特在英国皇家学会发表了一篇关于伏特电池的论文。
1821年,一位英国人‘法拉第’完成了一项重要的电学发明。两年前,奥斯特已经发现,如果电路中有电流,它附近的普通指南针的磁针就会偏移。法拉第由此受到启发,认为如果磁铁固定,线圈可能会移动。根据这个想法,他成功地发明了一种简单的装置。在这种装置中,只要有电流通过导线,导线就会绕着磁铁不停地旋转。事实上,法拉第发明了第一个马达,第一个利用电流移动物体的装置。虽然这种装置很简单,但它却是当今世界上所有电动机的祖先。
1831年,法拉第制成了世界上第一台发电机。他发现当第一块磁铁通过一个闭合的电路时,电路中就会产生电流,这种效应叫做电磁感应。一般认为法拉第的电磁感应定律是他最大的贡献之一。
1866德国西门子制造了世界上第一台工业发电机。从物质到电场
1600年,英国人威廉·吉尔伯特(1544-1603)发明了验电器,为后来人们研究电学提供了实验依据。1660年,奥托·冯·古里克(1602-1686)制造了摩擦起动电动机。
电量在18世纪开始发展。J.B.Priestley (1767)和Coulomb(c . a . Coulomb 1736-1806)发现了静电荷间的力与距离的平方成反比的定律,为静电奠定了基础。
1800年,意大利Volt (A.Voult)将铜片和锌片浸在盐水中,连接导线,制成了第一块电池。它提供了第一个连续的电源,被称为现代电池的祖先。1831年,英国的m .法拉第利用磁场效应的变化,演示了感应电流的产生。在1851中,他提出了物理电力线的概念。这是第一次强调电荷转移到电场的概念。
电场和磁场
1865年,苏格兰的J. C .麦克斯韦提出了电磁场理论的数学公式,提供了位移电流的概念。磁场的变化可以产生电场,电场的变化可以产生磁场。麦克斯韦预言了电磁波辐射的存在,在1887年,H .赫兹展示了这样的电磁波。结果麦克斯韦把电和磁整合成一个理论,证明了光是一种电磁波。
麦克斯韦电磁理论的发展也解释了微观现象,指出了分裂电荷的存在而不是连续性。1895年,H.A .洛伦兹假设这些分裂电荷是电子,电子的作用由麦克斯韦电磁方程的电磁场决定。1897年,英国的J·J·汤普孙证实了这些电子的电子性是带负电的。1898年,W.Wien观察到阳极射线的偏转,发现了带正电粒子的存在。
从粒子到量子
人类一直用自然界存在的粒子和波来描述“电”的世界。19世纪,量子论的出现让原本构建的粒子世界再次受到考验。维尔纳·海森堡的“测不准原理”认为,一个质点的运动速度和位置是不能同时测量的;电子不再是可数的粒子;也不在固定的轨道上运行。
1923年,路易·德布罗意提出微小粒子运动时既有粒子又有涨落,称为“波粒二象性”,而欧文·薛定谔用数学方法用函数描述电子的行为,用波动力学模型得出电子在空间的概率分布。根据海森堡的测不准原理,我们无法精确测量它。在尼尔斯·玻尔的氢原子模型中,基态原子的电子运动半径是波动力学模型中电子出现概率最大的位置。
随着科学的发展,人们逐渐明白,电这个物理量所得到的数值是不连续的,它们所反映的规律是统计的。