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如今電子產(chǎn)品的應用已經(jīng)非常的廣泛,但是電學的歷史卻神奇,漫長又有趣。電學的發(fā)展至今已接近500年,理論知識如今也紛繁復雜。過去的500年,似乎可以分成如下三個階段:靜電場研究階段,電磁研究階段,半導體和通信技術研究階段。
電為何物?
公元1600年前,人們說到“電”想到的都是“靜電”?如果你非要問他們什么是電?他們會告訴你:摩擦,摩擦,摩擦…摩擦起電的現(xiàn)象在當時被看成與磁石吸鐵一樣,是物質(zhì)具有的性質(zhì),除此之外,電學并沒有什么別的重大發(fā)現(xiàn)。
1600年,英國物理學家吉伯做了這么一個有趣的實驗:用摩擦過的琥珀靠近可旋轉的金屬細棒時,金屬細棒可轉動指向琥珀。但是,他未細作研究,不久后,馬德堡的蓋利克用硫磺制成形如地球儀的可轉動球體,用干燥的手掌摩擦轉動球體,可產(chǎn)生靜電,他發(fā)明了第一臺摩擦起電機,開啟了科學家研究靜電領域的序幕。
1729年,英國的格雷發(fā)現(xiàn)摩擦過的玻璃所帶的電可以轉移到木塞上,再經(jīng)細繩傳到20米以外的骨質(zhì)小球。他還讓一個小孩做人體帶電實驗。他用絲繩把小孩吊在頂篷下,在小孩身下放許多輕質(zhì)物體,例如羽毛之類。然后將摩擦過的玻璃管接觸小孩腿部,結果小孩的手和頭部都能吸引羽毛。格雷通過實驗,發(fā)現(xiàn)了電的傳導性,而且分清了導體與絕緣體。首次出現(xiàn)了導體和絕緣體的概念。
1733年,迪費通過研究靜電,得出了靜電領域的經(jīng)典結論:帶相同電的物體互相排斥;帶不同電的物體彼此吸引。即同性相斥,異性相吸。
1745年,萊頓瓶的發(fā)明,把電學的研究推上了一個臺階。最開始,德國的克萊斯特做了一個實驗。他用鐵釘把電通到窄口藥瓶中,瓶中盛水,瓶子與其他物體絕緣。原來他是想把電存在水中。當他用鐵釘將瓶內(nèi)的水和外界接通時,出現(xiàn)了強烈的放電現(xiàn)象??巳R斯特非常高興,他把這一發(fā)現(xiàn)寫信告訴了好幾位友人,但是友人都回信說重復做了實驗卻沒有能夠得到同樣的結果,原來克萊斯特在信中少說了一句話:實驗者在用釘子通電時,要手持瓶子的外表面,人站在地上(注:也就是說,瓶子的外表面必須接地!)。由于這個原因,克萊斯特的發(fā)明沒有引起人們的注意。與此同時,另外有一位科學家在荷蘭也做了類似的實驗。他是萊頓大學物理學教授穆欣布羅克。他把金屬槍管懸掛在空中,與起電機連接,另外從槍管引出一根銅線,浸入盛水的玻璃瓶中,讓助手一只手拿著玻璃瓶,穆欣布羅克在一旁搖摩擦起電機。正在這時,助手無意識地將另一只手碰到槍管,頓時感到電擊。叫了起來:“Oh My God!”。于是,換助手搖起電機,穆欣布羅克自己來拿瓶子,當他一只手碰到槍管時,果然也遭到強烈的電擊。穆欣布羅克不久在給友人的信中寫道:“蒙上帝憐憫,我才免于一死。以后哪怕讓我當國王,我都不去摸那破槍管了?!毙胖兴敿毭枋隽藢嶒灥臈l件,所用器材和人的姿勢。寫得如此真切,令有冒險精神的讀者無不躍躍欲試。后來這封信公開發(fā)表,許多人重復了萊頓的實驗,萊頓瓶也由此得名。萊頓瓶首次實現(xiàn)了人類對電荷的收集,是電容的雛形。
1747年,富蘭克林對電學做了很多研究,使得人們對電的認知更加豐富。他提出:電,來自于物質(zhì)本體,和水流一樣,通過摩擦,電只能轉移,不能被創(chuàng)造。這就是電荷守恒定律。摩擦時,物體獲得的電叫做正電,物體失去的電叫做負電,兩物體接觸時的放電現(xiàn)象,讓物體帶電重新歸零,電荷的概念出現(xiàn)了。
1749年,富蘭克林做了有名的風箏雷擊實驗,證明了閃電是一種放電現(xiàn)象。這個大膽的實驗引發(fā)了無數(shù)人的崇敬,富蘭克林甚至因此被贊譽為“現(xiàn)代普羅米修斯”。該實驗不僅在美國有很大的影響,而且影響到世界其他國家。1753年,俄國科學家里希曼在屋頂上裝了一根導線通到實驗室,想用驗電器來觀察雷電現(xiàn)象。那時正逢雷雨交加,一個火球從上面?zhèn)髁讼聛?,結果里希曼遭雷擊死亡,富蘭克林的風箏實驗,足以讓后續(xù)每個科學家避免這種無謂的犧牲,也為避雷針的應用打好了基礎。
1766年開始,科學家展開了電荷相互作用的研究。英國科學家普利斯特利猜測電荷之間的作用有可能與地球吸引月亮一樣,與萬有引力有相似的規(guī)律。這位科學家的一生可謂傳奇,他是通過自學成才而當選為皇家科學院院士的,非常勵志。
1769年,魯濱遜通過實驗,第一次測定了兩個電荷之間的相互作用力與距離的二次方成反比。
1773年,卡文迪許設計了扭秤實驗,精確地驗證了電荷之間的相互作用力與距離的二次方成反比,卡文迪許的實驗是近代精確驗證電力定律的雛形。
1785年,庫倫也設計了扭秤實驗,雖然實驗結果沒有卡文迪許得到的精確,但是庫倫系統(tǒng)的整理了電荷的相互作用力的研究,得到:兩個靜止點電荷的相互作用力與它們之間的距離二次方成反比,與它們的電量乘積成正比。公式:F=k*(q1*q2)/r^2,證明了電荷之間的作用于萬有引力定律有神秘的關聯(lián)。庫倫定律的推出,從此讓電學的研究進入科學行列,庫倫也成為電荷量的單位。
從1600到1785年這200年間,電學研究的主要成果是:人類能制造靜電,并且用萊頓瓶收集靜電(最早的電容),同時認識到“閃電”的本質(zhì),但此時還沒有電量、電壓、電流、電阻這些概念,也沒有實用的電子產(chǎn)品,電學的研究被束縛在靜電領域。而1786年之后,電學的發(fā)展升華了一個階段,為我們現(xiàn)在電子產(chǎn)品的應用打下了夯實的基礎。
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