为现代科学技术而奋斗的人们(第八回 )

第八回

库仑打开电学大门，伏打造出化学电源

前面讲的，只是对静止电荷的发现，处于初级阶段的认识，还没有从定量的角度作为一门科学来研究。电学作为一门科学来研究，并且逐渐成为一门独立的科学，第一个开启现代电学研究大门的是法国科学家厍仑，他发现和确定了“库仑定律”，这是电学研究的第一个定量定律，它的基本意义是：两个点电荷之间的静电作用力的定量计算公式，这个公式分为纯量公式和失量公式，为了简便起见，我们只粗略地介绍纯量公式。库仑定律的标量

形式也就是纯量公式）只描述两个点电荷彼此相互作用的静电力的大小。一个电量为q' 的点电荷作用于另一个电量为q 的点电荷，其静电力F 的大小，可以用方程表达为：

F =Ke ×qq' /r 2

其中Ke 是库仓常数，Ke =9.0x109牛 ·米2/库2，这个常数是由一个复杂公式计算出来的，这个公式的各个数据又是由若干次实验结果的整理而得来的，虽然已过去了200多年，对于我等常人依然是一个不可想象的难度，这是多么的艰苦卓绝，如果有一部录像机将他全程录下来的话，那才叫做如痴如醉啊，那才叫可歌可泣啊！原来，我们的电气化是这样来的啊，不知过去，怎爱今天，不知过程，焉能创造！

1736年6月14 日-1806年8月23日

扭称原理图

库仑的全名叫查理·奥古斯丁·库仑；1736年6月14日生在法国南部昂古莱姆城一个富裕的家庭里。库仑先在巴黎读书，青年时代参军后，负责建筑军事要塞的工作。他在印度群岛服役9年后回到巴黎，当了工程师，开始从事科学研究。他把主要精力放在研究

工程力学和静力学问题上。库仑研究电学的具体原因是1777年法国科学院的一个悬赏，征求改良航海指南针中的磁针的方法。库仑认为磁针支架在轴上，必然会带来摩擦，要改良磁针，必须从这根本问题着手。他提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。同时他对磁力进行深入细致的研究，特别注意了温度对磁体性质的影响。他又发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系，从而可利用这种装置算出静电力或磁力的大小。这导致他发明了扭秤，扭秤能以极高的精度测出非常小的力。那时大家已经知道磁和电有很大的联系，因此，库仑研究磁力的同时，对电荷的研究自然产生了兴趣，所以库仑在1785年到1789年之间，通过精密的实验对电荷间的作用力作了一系列的研究 他根据扭力理论，自行设计制作了一台精度很高的扭秤，并利用这台扭秤对静电力和磁力进行了测量，证明了牛顿的平方反比定律在电的以及磁的吸引和推斥中也适用。，最后库仑终于找出了在真空中两个点电荷之间的相互作用力与两点电荷所带的电量及它们之间的距离的定量关系，这就是静电学中的库仑定律，即两电荷间的力与两电荷的乘积成正比，与两者的距离平方成反比。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律，它使电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。电荷的单位库仑就是以他的姓氏命名的。

磁学中的库仑定律也是利用类似的方法得到的。1789年法国大革命爆发，库伦隐居在自己的领地里，每天全身心地投入到科学研究的工作中去。同年，他的一部重要著作问世，在这部书里，他由对两种形式的电的认识发展到磁学理论方面，并归纳出类似于两个点电荷相互作用的两个磁极相互作用定律。库仑以自己一系列的著作丰富了电学与磁学研究的计量方法，将牛顿的力学原理扩展到电学与磁学中。库仑的研究为电磁学的发展、电磁场理论的建立开拓了道路。这是由于他的扭秤在精密测量仪器及物理学的其它方面也得到了广泛应用的结果。库仑定律的发现，使电磁学有了最基本的理论基础，一种自然科学理论只有用数学公式表现出来之后才能说是成熟的，所以，后人都公认库仑为我们打开了电学的大门。

但是，在库仑定律发现之后，电学并没有显著的进展，因为那时还不能产生稳定的电源从而提供稳恒电流，这个重大问题，是由意大利物理学家伏打完成的。

伏打1745年2月18日------- 1827年3月5日

伏打，意大利物理学家。1745年2月18日生于科摩的一个没落贵族家庭。伏打决非神童，他四岁才会说话，家里人认为他智力迟钝。但到了七岁，他赶上了其他孩子，接着就开始超过他们。他十四岁时便决心当一个物理学家。那时电现象的研究已经占据了科学舞台，他从1765年开始从事静电实验研究，对电流的早期研究做出了重要贡献。1774年伏打担任科摩大学预科物理教授。1775年他发明了起电盘（静电起电机），这是靠静电感应原理提供电的装置。伏打还研究了化学，进行各种气体的爆炸试验。1779年他担任巴佛大学物理教授，并继续从事电学研究，他发明了与静电有关的其它设备。1782年他成为法国科学学会的成员。

1780年，博洛尼亚大学的解剖学和生理学教授伽伐尼在解剖青蛙时偶然地发现蛙腿的痉挛，伽伐尼将这一现象归因于“动物电”。伏打注意到伽伐尼的发现，做了许多动物电实验，1793年他否定了动物电的存在，提出了著名的电的接触学说，他以不同金属联成的环去接触蛙腿及其背，从而成功地使活青蛙痉挛。他还观察到由两种金属联成的弯杆，一端放到眼睛附近，当另一端与嘴接触的瞬间有光亮感等。伏打由此猜测，这些实验中最根本的是不同金属的接触，并且通过进一步的实验断言，伽伐尼电池产生于两种不同金属的接触。 伏打的主要成就是发明了伏打电堆。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。伏打不仅发现两种不同金属接触时会发生电流效应，而且发现当金属浸入某些液体时，也会有同样的效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。1800年3月20日，伏打在给敦皇家学会会长约瑟爵士的一封信中，宣布了一个重要的发现。他说：“用30块、40块、60块或更多的铜片，最好是用银片，每一片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层，如食盐水或碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革„„”在桌子上或台子上，我水平地放一块金属片，例如银片，在这一片上我放上第二片，即锌片；在第二片上我放上了一张浸液片；然后放上另一块银片，紧接着是另一块锌片，上面方放上一张浸液片。如此，我以同样的方式，总是在同一方向上，把银片和锌片合起来，那就是说总是银在下面锌在上面，或者相反，这要看我是怎样开始放的，在两对合起来的片子

之间，都夹上一层浸液片。我如此继续下去，就形成了一个高到不致自己垮下来的圆柱。”伏打证明这个堆的一端带正电，另一端带负电，这就是伏打堆。当时引起极大的轰动。这是第一个能产生稳定、持续电流的置。有了持续电流，对电学的研究打开了新的局面。

1791年伏打被选为伦敦皇家学会的会员。1794年伏打由于在电学、化学上的贡献，荣获柯普莱奖章。1800年他宣布发明了伏打电堆。1801年拿破仑在巴黎召见伏打，法国科学院赠予伏打一枚金质勋章。1810年，他当上了伦巴第公国的参议员。伏打和拉普拉斯一样，有不受政治变迁影响、保持自己地位的本领。拿破仑倒台、奥地利再次统治意大利以后，伏打仍然地位显赫，春风得意。电动势的单位现被称为“伏特”，就是为了纪念他而命名的。由现代核粒子加速器产生的运动带电粒子的能量，以电子伏为单位量度。十亿电子伏缩写为“beV ”。

伏打电池发明以后，电学迅速发展起来，在电化学发展中上的第一个发明是利用电流分解水。1800年3月，英国伦敦皇家学会会长接到伏打关于发明了电堆的信件后，便把这封信给了他的好朋友英国化学家尼科尔森（Nicholson,W.1753-1815）和卡里斯尔（Carlisle,A.1768-1840），并在皇家学会上公开宣读了。尼科尔森和卡里斯特尔立即着手利用伏打电池进行电解水的试验。他们的电堆是利用36枚英国半克朗（Crown ）银币及一些锌片和硬纸片，用白金箔和丝做电极和导线。当两个电极导体和电堆两极接触时，两极上都有气体逸出，他们用排水集气法加以收集。这样电解了13小时，他们才得到

1.1立方米的气体。与电堆负极相连的铂电极上产生的气体的体积恰为另一铂电极上逸出气体的二倍。经鉴定，证明这两种气体分别是氢气与氧气，它们的体积比和氢气、氧气合成水时一致。他们的文章《利用电池电解水》1800年发表后，这一消息立即轰动了科学界。水的电解和氢、氧化合成水，这两个科学事实完全证实了水是氢和氧的化合物的正确论断，在化学史上有重要意义。

在1800年以后几年内，化学家们利用伏打电堆研究了许多电化学问题，如电解水时水中为什么产生出酸和碱，一些金属盐类水溶液电解时产生的现象及其原因等 ；英国化学家戴维（1778-1829）并于1807-1808年通过电解法发现了元素钾、钠、钙、锶、钡和镁。由此可见，伏打电池的发明（以及电解水的成功）对于化学的发展确实具有深远的意义。

从18世纪末期到19世纪初期，关于电学的研究已是十分热门了，同时又是十分纠结的时候，因为一方面看到电这个新生的能源的优势，另一方面，却无法找到产生电源的有效途径，虽然伏打电池出现了，但远不能作为一种大规模应用的能源，许多科学家都以极大的兴趣投入到寻找获得新的电能产生方法，演出了19世纪电力开发的精彩历史，让我们一步步走进电气化时代，十九世纪是电的产生世纪，是人类走进电气化的伟大时代，下面将要讲述由伏打的化学电池发明之后，如何用物理的方法大规模产生电流，这就是法拉第的电磁感应的发明，请听下回分解！