人類認識電的歷史

紀元前六世紀

Miletus

有史以來,最早認識電的人是希臘學者Miletus(紀元前六世紀),觀察用布摩擦琥珀後,會吸引如羽毛等輕小的東西。但對靜電有系統及科學的研究則是始於17世紀。

十七世紀

William Gilbert

1600年初人醫生William Gilbert(1540~1603)所著的書中,指出此類因兩物摩擦所生的力和磁石(Lodestone)所產生的力完全不同。磁石只吸引鐵類的物質,而兩物摩擦所生的力會吸引各種輕小的物體。而且它也發現除了琥珀之外上有硫磺、玻璃、松脂等亦可藉和其他物質摩擦而聲電。因此Gilbert將物質分為兩類,和琥珀相似的稱為Electrica(由希臘語"Electrica"或拉丁語Electrum來)及非Electrica兩類。

Stephen Gray

人Stephen Gray(1696~1736)發現了某些物質可以由一端傳電到另一端(因此由此類可導電物體的一端產生靜電,則此靜電可傳播分佈至物體各處,使該物全體都有帶「電」的性質)。因此物質可分為導電的(導體)及不導電的(絕緣體)兩類。當時已知除了金屬外,人體亦是導體。

Charles du Fay

人Charles du Fay可說是當時深入探討靜電現象的第一人,它由眾多的實驗中發現,幾乎所有的物質都可以摩擦生電,有此推翻了Gilbert的想法:物質可分為「可生電的」(Electrica)及「不可生電的」(非Electrica)兩類。並且它更仔細的發現,所產生的電有兩種,帶有異種電者會互相吸引,帶有同種電者會互相排斥。他稱這兩種電為「像琥珀所生的電」(resinous)和「像玻璃所生的電」(vitreous)。他更進一步想用「二流體學說」來說明已知的靜電現象。

十八世紀

富蘭克林

除了歐洲的靜電學發展外,當時被認為是「殖民地」的美洲亦有很大的貢獻。這是以富蘭克林(1706~1790)為首的一群愛好科學的美國人努力的結果。富蘭克林年輕時只是一位印刷廠的徒弟。但此後他不只在外交及政治上發揮了才能,在物理學的研究上也完成了大業。

他在40歲左右時在Boston,有機會參觀了一位由Scotland來的科學家做若干的實驗,使他印象深刻。回到費城後,轉由他在費城圖書館的朋友接到英國皇家學會(即英國科學會)會員的倫敦商人Peter Collinson,送來的一支玻璃管以及如何用他來做靜電實驗的說明書。這些禮物更加鼓舞了富蘭克林的好奇心,而開始他有關電的研究歷程。1747年3月28日他寫了一封給Collinson,先謝他所送的玻璃管(他稱它為「電氣管」),並且描述他自己「從來沒有如此專心的做研究,且花了從來沒有過的長時間」。1747年3月11日給Collinson的信中描述尖的物體比其他形狀優於「因出電氣的火」也能「投出電氣的火」。雖然其他學者也發現過類似的現象,但他是將此後世被稱為「尖端放電」的現象加以強調,並且將他運用製造避雷針的第一人。在同一封信中他以提出了他對「一流體說」的看法,並且首先使用正、負來描述不同的電。

1748年他退出了出版業,把他的印刷業等賣掉,並專心做科學研究。1749年寫信給Collinson的信中說明,他在不好做電研究的夏天來臨前將此研究結束(夏天的溼度高,因此不容易做電的實驗),然而雷的問題開始引起他的注意。在此之前,一班相信雷是因為天上的瓦斯爆炸所引起的現象,至於何種瓦斯會引起此爆炸卻沒有定論。1737年前後富蘭克林亦相信雷是因空氣中稀薄的硫所引起的爆炸,然而1749初夏他提出雷是放電現象的理論,並建議一大膽的實驗計畫。這些事實在他同年11月7日的筆記中有說明,「電氣流有下列性質:(1)會發光,(2)發光的顏色為特有,(3)放電的軌跡會彎曲,(4)放電的速度很快,(5)金屬會導電,(6)爆炸時產生特有的聲音,(7)可留在冰及水中,(8)放電通過的路程會使物質裂開,(9)可電死動物,(10)可熔金屬,(11)使不燃性物質燒起來,(12)有硫磺的臭味。」他接著提出問題:「由於這些性質和雷的性質一致,因此雷會不會像存在雲中的電一樣可以由尖端『放掉』所儲存的電?」然後他寫了如下的實驗建議,想利用尖端作用把雷光拉到地面上來。他的計劃是「做一個像哨兵用的小屋,其大小為可供一人站在電氣台(及靜電用的實驗台)上的程度(如圖一)。將他放在高塔是的尖塔上,由電氣台中央引出上端磨尖的鐵棒,並在屋外往上伸2~30呎。當低的雲通過此屋上時,此棒的尖端會引入雲上的電,使人代電而發生火花。假如利用上述方法可證明雷可以用尖端引下來,尖端有如此功能的知識將可以保護居屋、教堂及船隻免受雷擊。」1750年7月他將此內容寫給Collinson。而Collinson就將他的信提到皇家協會報告,並將他的信出版。這些論文不只引起了協會會員的驚訝及注意整個歐洲的科學家也很注意此論文,並且有很多人想嘗試此實驗。

圖一

富蘭克林即想盡辦法實現這實驗(包括發行彩卷),但得不到如意的協助。一方面法國的科學家受王的補助做實驗,在1752年5月10日看守此實驗室的士兵看到了放電。實驗的成功轟動了全世界,而接著有很多地方追試實驗。富蘭克林本身卻覺得此實驗不夠完整來證明電,他就進一步想出一個新點子,這就是使他成名的利用風箏「引雷下來」的實驗。他在給Collinson的信中說:「用兩隻小木片縛成十字架風箏的骨架,再用絲的手帕縛在骨架四端即成風箏。並在風箏上端繫住一尖頭的鐵絲,風箏線的另一端用絹絲連結,在連接處掛一把鑰匙。」他帶著兒子兩人到荒野,為了避雨就由臨時的小屋內放風箏。當雷電通過時,很興奮地期待,但一週過後,仍沒有什麼變化,而快到絕望時,忽然看到絲上的纖維張直。他就用手指靠近鑰匙,果然產生了強的火花。他就將萊頓瓶接到鑰匙,充了更多電後做放電的實驗。由此實驗,終於證明了雷就是電。在1752年9月的信中,他描述在他家立了一根鐵棒,並結兩個鈴,使其帶電會響。利用此裝置做了很多次實驗,並得到「大多數的雷雲是帶負電」結論。當然有很多追試的實驗,也發生了實驗學者受電擊而死的事故。

1754年在歐洲的教堂上立了第一支避雷針。然而美國在1760年才由富蘭克林建了(費城的)第一支避雷針,直到1782年,費城的避雷針才超過400支。

Henry Cavendish與Charles Augustin de Coulomb

英國的Henry Cavendish(1731~1810)及法國的Charles Augustin de Coulomb(庫侖)(1736~1806)對電的作用力有精密的實驗而得到所謂的庫侖定律。由於Cavendish沒有發表任何論文,因此直到一世紀後由Maxwell將Cavendish在1771~1781年所寫的實驗記錄發表才被人知道他的功勞。Maxwell說明Cavendish比其他人先做成功了差不多所有重要的靜電實驗。

起初Coulomb是在研究頭髮及金屬線的扭轉彈性,因此發明了極靈敏的扭轉天平。天平的主要部份是(如圖二)利用頭髮或細的金屬線等吊一支兩端有小金屬球(A,A')的細棒AA'。吊棒的線上固定一小鏡M,Coulomb的實驗即將小球A,A'帶電,並靠近另兩個帶電的金屬球BB'。由於AB及A'B'所帶的電的互相作用,小棒就受到扭力,使其吊小棒的線扭轉,線被扭轉的角度和扭力成正比,扭腳及利用線上鏡子的反射光的夾角來決定。因為他的靈敏度很高,可量出微小的力的大小。當時牛頓的萬有引力定律已發表一時,Coulomb即用巧妙而精密的方法檢驗了電力和萬有引力一樣,具有和距離二次方程反比的定律。對於靜電的基本認識可說由此完成,唯其機制及理論一直在進步,可說延伸到現代物理的基本核心問題──電力的由來和他力的關係,以及電力和其他各種力是否可以用更高一層的統一的真理來說明等等。另外一方面靜電的研究要等到發現持續的電壓源、電流磁力和電力互相作用的關係,以及持續變動的電磁場(電磁波)以後才得到今天增益人類的科技。

圖二

早期對靜電的看法

我們觀察很多的類似現象後,進一步將他們綜合,用更深一層的看法(或理論,或稱為假設)來解釋他,這些想法有時經過許多的實驗驗證而成為真理,有時能說明只是在某有限條件下的真理,但有時候和後來能證實的真理一比較是荒謬的,卻對當時的社會起了一定的作用,同時也引起了此後更進一步瞭解真理時的一個基礎。

現在已瞭解帶電現象是因物體中含有多的電子,或減少電子而產生。然而人類對靜電現象及其作用力也經過很多不同的想法。而演進至今,如上所述,第一個想將靜電現象做統一說明的是人de Fay。他所倡導的二流體說,可說是當時很先進而成功的學說,根據二流體說,物質中本來有同量的兩種"vitreous"及"resinous"流體,物體間的摩擦使其中的一種流體被剝離,而產生電的現象。

Benjamin Franklin(1706~1790)認為,物體普遍含有一種要素(他稱為「電氣火」),而如果某物體的此要素比常態多或少皆會帶電,而太多時和太少時電的性質就不一樣,Franklin並進一步用正及負電來描述它。我們及稱它為一流體說,此學說比二流體說可將電的現象說明的更為圓滿。

不管一流體說也好,二流體說也好,兩者都把電的現象當作存在物體中某些流體及物質為起因。靜電的各種現象是因這些流體的超距作用(Action at Distance)所致。這種想法一持續到法拉第及Maxwell(1831~1879)的時代。

(本網頁取材自國中理化教師手冊第3冊)