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莱登电瓶(放电)
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标准的莱登电瓶包括一个矮胖的薄玻璃容器,从它的瓶高2/3处往下,里外壁上都用金属箔包裹起来,一根顶部装有一个黄铜小球的黄铜丝,从那塞紧了的(不导电的)软木塞瓶盖中伸进去,然后下垂到注满水的罐子中。由静电发生器产生的电,经过小球和金属丝直接被引入玻璃瓶,再向下通过金属丝,后来用的是一根长长的金属链,这样就使金属覆层和水充上电了。当某个哲学家需要电时,他只要接触一下那个球,电就会像一股很大的震击流似地流出来。莱登电瓶最多可以储存几天的电,当然也取决于绝缘和储藏条件。
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皇家学会和大学里的哲学家们把对电的观察、测量和思考的结果,发表在声望很高的学术刊物上,同时继续用电来进行魔术般的表演和消遣。随着莱登电瓶的出现,许多街头小贩拿着充了电的钱币,卖给路边有胆量的人以体验一下从电瓶释放出来的火花。在路易十五的凡尔赛宫里,出于对新奇刺激的追求,一个学电能艺术的学生阿贝·诺勒特(Abbé Nollet)安排了一场引人注目的电表演。最使人难忘的,是在格兰德美术馆前,180名宪兵手拉着手围成了一个大圆圈;穿着礼服的诺勒特,脸上抹了粉,头发束了起来,身穿一件带有时髦大袖口的束腰长袍,他希望看到电击火花能到多远。静电发生器被展示出来,它向莱登电瓶充着电。站在最前面的那个宪兵,举着莱登电瓶,当他触到那个铜球时,其他179名宪兵竟几乎同时向空中跳起。阿贝写道:“看到一大群人在受到电击后以不同姿势跳起来,又立刻发出了相同的惊叫声,这是绝对令人耳目一新的。”当国王和他那些疲劳过度的大臣们,看到这些宪兵跳起的情景时,既惊奇又兴奋。这也明显地论证了,电是以光的速度在传播(虽然他们还不知道这点)。由于使朝廷高兴了,诺勒特对他的科学气魄很满意,因为能被要求重复做这个实验,就说明他的实验不只是侥幸。第一次是在巴黎修道院,有200名穿长袍的卡尔特会僧侣参加;接着是在纳瓦尔学院,有600人参加组成了一个巨大的圆圈。
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电的神秘和新奇,使18世纪早期欧洲许多才华横溢的学者沉浸其中。但电学研究领域的下一个进展,却是来自北美英国殖民地,一个看起来完全不可能的地方。在费城迷人的魁克(Quaker)港,有一位受人尊敬的编辑本杰明·富兰克林,他写的那本《穷理查德的年鉴》(Poor Richard’ s Almanack)让他收益甚丰,以至于他能够把自己的大部分精力贡献于哲学研究。在波士顿,富兰克林观看了由一个苏格兰人展示的那时流行的带电男孩。第二年的秋天,住在伦敦的一个魁克商人朋友彼得·科利森(Peter Collinson),给他寄来了各种各样的电力器具和文字说明书,富兰克林立刻着迷了。几个月后,正当欧洲的哲学家们痴迷于莱登电瓶的新潜能,并激烈地辩论着怎么样和为什么能够储存电荷的时候,富兰克林和他的实验室同事得到了一个莱登电瓶。天才的富兰克林这时40岁,留着棕色的披肩长发,穿着平常的马裤和长外衣,把他那所小房子变成了电的展示厅,同时又成了他的印刷厂、图书馆和实验室。
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在1747年的春季,富兰克林写信给科利森:“我从未对任何研究如此投入过,最近,我却把全部精力和时间都倾注于正在做的研究中。我可以自己潜心独试,然后向那些为此专程结伴而来的朋友和熟人们,展示我所做的实验。好几个月我都没有空闲时间去干别的事。”好奇的邻居和过路人,挤在人群中观看富兰克林用快速旋转的玻璃圆筒来产生电,捕捉着从莱登电瓶里出现的那些闪烁的电火花,以及接下来演示的好多令人无法理解的电的工作方式。富兰克林给他伦敦的朋友这样写道:“即使电的发现没有其他用途(而这正是许多人所认为的),它也起码可以使自负的人变得自卑。”当然这是无稽之谈。
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事实上,富兰克林是凭着他的好奇心和聪明才智来了解电,并进行无数次实验以弄清电的特殊性质的,他将对电的研究大大推进了一步。他还发明出许多“消遣之物”,包括那个“仿蜘蛛”——一只黑色的蜘蛛,把它放在电场里时就会转圈跳起舞来,像“活”的一样;还有一本看起来像着了火的书;一条最有趣的电鱼,由一片薄薄的锥形的金叶片做成。“如果你从尾部拿着它,在距离原导体一英尺或更远些的水平处举着,当你松手时,它就会轻快飘摇地飞向那个导体,像一条鳝鱼在水中游过。”也许最能代表未来的,是一幅“魔”画,画中显示的英国国王戴着王冠。如果谁想试图拿走皇冠,都会受到重重的电击。这些创意既十分有趣,又颇有教益。富兰克林第一个宣称:不同类型的电并不存在——如众多的人所相信的那样——只有一种基本的、带有正负极的电流。还是富兰克林,由于他怀着很实用的思维意识,所以“懊恼的是,迄今为止我们还没有在这方面创造出什么对人类有用的东西。”
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富兰克林是矛盾的,徘徊于两种感觉之间:既对所揭示的大自然的秘密感到谦卑和敬畏,又为他新发现的技艺高兴得发晕。已经熟练掌握了产生与储存电的富兰克林,和他实验室的同伴们计划在潮湿闷热的夏季来临之前,在斯库尔基尔河边安排一个盛大宴会。富兰克林高兴地描述了他们的计划,“一只火鸡将被电死,再用电烤叉烧烤来做我们的美餐,在此之前火用电瓶点燃,所有来自英国的、荷兰的、法国的以及德国的著名电学家们,都举起从电池枪里放出来的带电的美酒,为健康干杯。”
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像以前的哲学家一样,富兰克林推测,闪电就是大量电的震击。到1750年时,他相信自己已经找到了一个具体的、对生命安全有保障的物体,它也同时可以被用来检测他那“闪电是电”的理论。富兰克林建议在高楼上竖起又高又尖的金属电极,通过它将闪电传送到地下,并消失于土壤之中,由此而避免建筑物起火。因为在实际的实验中,从电极传来的闪电可以被收集到莱登电瓶里。他阐述道:“这些电极的作用真是美妙极了!据我在实验中的观察,我认为,借助这些电极,房屋、船只,甚至高塔和教堂都可以受到有效的保护,避免遭受闪电的袭击。”当然,人们是不愿意去冒犯闪电的,因为他们认为,闪电会引起火灾、烧毁他们的财产。这一年的圣诞节前后,富兰克林由于只想着要用电去杀一只火鸡,结果自己却被电击倒,失去了知觉。富兰克林这样描述道:“电击是全方位的,从里到外,从头到脚,贯穿全身——我的胳膊、膝盖和后背全都麻木了,一直到第二天早晨才见好。”
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在接下来的两年里,富兰克林把精力越来越多地花在了推动公共事业上,但他始终都在冥思苦想着电的奥秘。1752年的9月,他完成了一项计划很久的实验。那是一个闷热难熬的下午,一场雷暴雨正蓄势待发,愤怒的乌云在地平线上不祥地翻滚着,富兰克林和他的儿子急匆匆地从闷热的房屋里出来,跑进漫山花朵的田野里。富兰克林带着一个用丝巾加上十字架做成的简单风筝:风筝的顶端,粘连着一根金属丝作为导体;底部,则系上了一根麻绳并连着一根丝带(已知是不导电的);在麻绳和丝带的连接处,挂了一把金属钥匙。当暴风雨来临时,富兰克林将风筝放开,让它升上空中。随后,他和儿子在倾盆大雨中找到一个小木屋来遮蔽风雨。风筝向上窜进了灰色的云层,邻近的树木在风雨中飘摇;远处,电闪雷鸣,乌云漫天。富兰克林和儿子紧盯着那根麻绳,但是却没有带电的迹象,他们感到无比懊丧,可这时,突然出现了他们所期待的现象——原先松弛的麻绳,好像带了电,向上伸直并不断绷紧——曾经被电击昏过一次的富兰克林,小心翼翼地用他的指关节去触摸那把钥匙,这时,他看到一个清晰的电火花。因为,一旦风筝的绳索被雨打湿,电就从闪电中顺着它流了下来。真是幸运,富兰克林发现雷电没有直接击到他的风筝。也正是这次精彩的实验,使得富兰克林成为了非凡地推进了人类认识这种威力无比、令人费解、隐形的电能进程的电力巨人和哲学家。电气师们不再去胡乱推测了,由于富兰克林的杰出实验,他们现在都清楚地知道,闪电就类似于——或没准就是——电,就像人们用发电机器产生出来的一样。富兰克林被人们奉为18世纪的普罗米修斯,那位为人类盗取天火的神。
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当他的风筝在那个炎热夏末的下午,从闪电的天空中摔下时,富兰克林不知道自己所著的《电的实验与观察》(Experiments and Observations on Electricity)已经被翻译成法语,而且其中的部分章节,在更早些时候的那个春天,已在巴黎科学会议上被大声地宣读过了。很多性急的法国科学家,听到这些关于用避雷针和风筝做实验的好主意后,立即着迷地要亲手去尝试。在马里–莱罗伊德郊外的美丽的加利克花园,他们安装起了3个高达40英尺的避雷针,电极竖立在一个装在3个酒瓶中的三角托架的顶部。1752年的5月10日,刚听到雷鸣,看到电闪,一名助手拿着莱登电瓶就冲了出去,他成功地从电极那儿收集到大量的电火花。等到天幕开启,冰雹从天而降,好奇的人群顾不上他们越来越湿的衣服,专心注视着闪电被吸进电瓶中。更让富兰克林吃惊的是,他发现就在自己放飞那个风筝后不久,法国的电气工程师们已经抢在他的前头,完成了他在书里所建议的那些实验。
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但是,他们这些戏剧性的成功和狂热的渴望,却使富兰克林迅速声名远扬,成为整个美国和欧洲的名人。因为他的科学成就,法国国王也热情称赞了这位令自己惊讶(但是很高兴的)的殖民地商人。哈佛大学和耶鲁大学均授予他荣誉学位,伦敦皇家学会授予他金质勋章,还吸纳他为费城和英国学会的会员,富兰克林一时成为显赫的人物。正如一位意大利科学家所说,“谁曾想到,如何获取电是从北美拓荒者那儿学到的。”关于这些普罗米修斯式奇迹的说法迅速传开了。当时,一位住在俄罗斯圣彼得堡的瑞典科学家乔治·里奇曼(George Richman),打算重复这一实验。当一场雷阵雨降临之时,他站在高处,举着连接有导线的电极,不幸的是,他受到了闪电的重击,当场死亡,成为1753年中进行电学实验时第一个死去的人,也是这门新兴学科的殉难者。
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可以想象,就像那些认真研究将电用于消遣和逗乐一样,电也迅速被用来治病。正如一位意大利科学家在1746年说的,“无须思考就会有很丰富的联想,当人们看到如此耀眼的闪光来自身体、四肢和皮肤的那一刻,就会感受到一阵刺痛;当闪光出现时,疼痛的打击和强烈的刺激几乎渗透到骨头里。”真正的医生(就像他们那个年代能称得上的)和游走的江湖医生都提倡用电来治疗便秘、神经错乱、性病和不孕症、坐骨神经痛、风湿病、流泪、疱疹,还有少数小的疾病。在意大利有3所医学院已对外开放,就是致力于用电来治病的。意大利(当时还是奥地利帝国的一部分)也应是最伟大的近代电力发源地之一,因为两位科学家在那里进行了一场激烈的科学辩论。其中一位是温柔腼腆的路易吉·高尔瓦尼(Luigi Galvani),傅洛尼亚学院受人尊敬的医生和解剖学家,另一位是亚历桑德罗·伏特(Alessandro Volta),古老的帕维亚学院一位声望颇高的物理学教授。正如那个年代的其他科学家一样,几乎每个人都被电深深地迷住了。高尔瓦尼迫切地想知道,电是如何作用于人体的神经和肌肉的,而伏特则更关注电的基本属性和它与化学间的相互作用。
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这个著名的科学宿怨源自路易吉·高尔瓦尼完成的一系列实验。高尔瓦尼,44岁,英俊潇洒,穿着时尚——白色假发,带精美花边的饰带,穿黑色长大衣。1781年1月26日,高尔瓦尼和他的助手们正在解剖一只大青蛙的双腿,旁边有一个运转着的静电机器。高尔瓦尼的助手惊讶地注意到,当他的手术刀碰到青蛙的一条腿的某一点时,这条已离开身体的腿会猛然一动,而且所有青蛙都如此。高尔瓦尼后来叙述道,“我立刻重复了这个实验。我用手术刀的刀尖去碰那神经的另一端,同时我的助手从发电机器中收集电火花。每当电火花产生的时刻,青蛙的肌肉就会发生痉挛。”出于对青蛙腿猛然抽动的敏感,高尔瓦尼将准备好的青蛙用黄铜挂钩吊起来,挂到后院的一个铁架子上,当他把铜挂钩推向铁架时,发现青蛙也产生了抽动。高尔瓦尼开始确信,他们看到的正是由这些金属器件完成了一个回路的“动物电”。“动物本身存在电的观点就产生了。”接下来的10年里,高尔瓦尼沉迷于用青蛙腿做着各种实验,并且用拉丁文(当时的科学专用语言)发表了一系列文章,尤其是1791年的《关于作用于肌肉运动的电的效应》(On the Effect of Electricity on the Motion of the Muscles)一文达到顶峰。就像当年富兰克林的研究被人们所认知时那样,成百上千致力于电研究的哲学家们,又争先恐后地去重复高尔瓦尼的“动物电”实验。
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在他们中间,有位帕维亚的物理学家亚历桑德罗·伏特,46岁,面容严峻,胡须修剪得干净利落,有着稀薄散乱的黑发。伏特教授在电学方面取得了巨大成就,以至于加入了伦敦声望显赫的皇家学会。伏特是一个没落贵族的儿子,他在科莫湖边长大,很早就在自然科学和数学方面显示出不凡的天资。到那时为止,他最重要的发明是高灵敏度的“积分验电器”,它是用来测量电荷的。伏特最初看到高尔瓦尼的触电发现时,曾称赞它“可以说是一种细微而伟大的动物电的发现”。但当他自己开始在青蛙腿上去重复那个实验时,他却变得越来越怀疑。最终,他确信电不是来自青蛙,而是来自金属,并在1794年向高尔瓦尼提出了质疑,反驳了他的观点。伏特的观点是:这个电实际上是“金属”性的。高尔瓦尼的侄子奥尔丁尼(Aldini)带着许多支持者,又重新用青蛙做实验,证实了即使没有用金属,青蛙腿也存在明显的跳动。总是缄默的高尔瓦尼,却仍然沉浸在1790年失去爱妻的悲哀之中,他的妻子知书达理,同他一起参与了这些实验。高尔瓦尼和伏特之间的矛盾,已经激化到令人难以忍受的地步,以至于伏特在给一位朋友的信里写道,“我知道那些绅士们要我去死,但是如果我撤退的话,我就不是人!”因此这场有关“动物–金属电”的辩论继续进行着。尽管每一位科学家和他的伙伴在欧洲大陆所演示的一系列实验,仍然很难使形势真正明朗,但在当时,这似乎是重要的或是决定性的。
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到了1796年,拿破仑带领法国军队横扫了阿尔卑斯山,这些奥地利臣民突然发现,自己已成了新的革命的阿尔卑斯共和国(Cisalpine Republic)的公民。在接下来的两年里,忠诚的高尔瓦尼拒绝向新政府宣誓效忠,因此在1798年的4月末他被博洛尼亚学院开除了,在那所学院里,他曾愉快地从事解剖学的研究长达35年。同年12月初,高尔瓦尼去世,终年61岁。他惨遭政府排斥,死时身无分文。伏特教授经过反抗以后,从拿破仑政权争取到了居住权,得以继续在帕维亚学院供职。
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作为“金属的”电力的领头人,伏特一直有条不紊地对各种不同的金属进行测试,并用他那灵敏度很高的验电器测试它们的电荷,由此确定它们是正的还是负的。他还观察到,当他的手指碰到金属时,电荷会明显增强,他推断这是含盐潮气的作用。1800年3月20日,伏特用法语给伦敦皇家学会的主席约瑟夫·班克斯(Joseph Banks)爵士写了封信,“我并不想为自己长时间的沉默而道歉,但我现在很高兴又和您建立联系——我在继续进行那些令人兴奋的电学实验并已经取得了一些惊人的结果,我只不过是让不同种类的金属相互接触,甚至有的是彼此也不相同的其他导体,或者是液体,或者是含有某种液体,它们的导电能力真是令人鼓舞……毫无疑问,您会吃惊的,因为我所提到的这种测试仪器,只不过是大量良好导体的组合。”
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根据他仔细观察到的关于材料导电或不导电的知识,伏特将一对一对的一英寸宽的铜极片和锌极片堆集组合起来,再一片铜、一片锌交叉叠放,之间用一片被盐水浸泡过的布或纸板隔离开来。当这些极片都相互连接时,铜极片就会释放出电子到浸泡有盐水的布上,而锌极片则从这同一块湿布上获得电子。当锌溶解时,在铜片表面就生成了氢气,其结果是电荷沿着导线直接以持续不断的电流形式传了出来。这个电化学反应产生的是最早的稳定的人造电流,它来自电池的顶部和底部两根绝缘的导线。
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伏特的电堆(或电池)
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这就是最原始的电池雏形,它传送的是连续的、稳定的电荷。而发电器或莱登电瓶传送的电只是高压下静电的脉冲或震动。伏特称他的电池可“不停地工作,它的电荷在每次爆发后可自己重新产生。概括来说,它的运行靠的是永不消亡的电荷,是电流中一种永恒的作用力或推动力”。实际上,当伏特的电池的含盐液体干涸或金属全部溶解完后,也会停止产生电。而那时,伏特坚信,它的电池动力仅仅是来自不同金属的接触,而事实上,它是在这些金属与液体之间发生的电化学反应。电池运行时间越长,这些材料消耗得也越多。伏特为他的电池设计了一种交变的形式,他称之为“杯冕”(crown of cups),它的特点是用交替变换的锌棒和银棒与金属导线把那些装满盐水的杯子连接起来。
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由于英法战争,伏特的信件被耽搁了一些时间才到达伦敦,皇家学会直到1800年6月26日才读到。伏特杰出的、开拓性的成果,引起了全欧洲和美国的赞叹。一个同时代的人形容这电池“是人类之手制造出来的最了不起的设备,当然还有天文望远镜和蒸汽发动机”。其他科学家很快复制起伏特的“电堆”,体积做得越来越大。具有讽刺意义的是,由伏特的电池产生出来的稳定电流——稳定的直流电——是被高尔瓦尼认识到的,此刻可以认定,这位伏特的宿敌也是不朽的。而伏特,被人们用Volt(伏特)这个用来度量电压单位的词来永远铭记。
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伏特在电学方面划时代的成就,迅速使他获得了大量的荣誉和丰厚的物质奖赏,成为拿破仑政府的一名伯爵。此后,新婚的、著名的、富有的伏特,在进一步改进他的电池或电力哲学领域中再没起到什么重大的作用。
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其他的科学家争相去建造更大、更强的伏特电池,为了产生更强、更持久的高尔瓦尼电流。在伦敦阿尔比马尔街上一所新的皇家学院里,已经有了一家“世界上最大的科普展厅”。精力充沛的年轻化学家汉弗莱·戴维(Humphry Davy),在学院地下实验室里,安排建造了更大的改进型的电池。19世纪第1个10年里,戴维将这些大电池用来做他的开创性研究——建立电学基础的电化学反应。皇家学院是于1799年开放的,其目的是推进科研并将科学应用到“普通日常生活的需要中”。它最初的赞助人是著名的英国大公、皇家学会的主席约瑟夫·班克斯爵士和颇有争议的发明家兼政治家拉姆斯福特伯爵。正是拉姆斯福特伯爵雇用了戴维这个英俊和多才的年轻化学家,使他在科学和学术界的声誉迅速提升。戴维以前在皇家学院的公开演讲,总是融会了渊博的科学知识和令人眼花缭乱的演示技巧,引人入胜。所以几百名衣冠楚楚的要人们,很快就聚集到这大会堂,来观看和聆听这个生气勃勃、有着一头乱发的康沃尔郡人的演讲,他把深奥难懂的电学和化学讲得深入浅出、惟妙惟肖。他的朋友和崇拜者,诗人塞缪尔·泰勒·柯勒律治(Samuel Taylor Coleridge)也参加了这个挤满人群的科学集会,他崇敬地宣称,假如戴维不是“当代第一位科学家,那他就是第一位诗人”。
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