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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 第六章 十九世纪的物理学 2
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:21:11 2003)

电流

    我们在上面叙述的各种类型的起电仪器，都主要是用来把静电荷赋予某种绝缘体的。

的确，如果使起电机接地，形成一个导电通路，则在这电路中就有一点电流通过。不过，

就是在最优良的摩擦起电机中，每一秒钟通过的电量也都非常之少，以致要想在这电路上

发现电流，那是很困难的，虽然，如果在导线中留一个空气间隙，则这起电机所生的高电

位差，可以产生可见的火花。

    十九世纪初，伽伐尼或伏特电池的发明，开辟了一个新的研究领域。这种电池引起了

一系列现象，最初，称为伽伐尼流，经过许多人的努力，慢慢地和另外一系列以电得名的

现象联系起来。我们终于明白所谓伽伐尼流，正是电的流动，只是和起电机所生的电量比

起来，大很多，但其电位差却比电机所生的电位差小得不计其数。由于在电路的任何一点

上都不能发现积存的电，我们也不妨把电流比做一种不可压缩的流体在不可伸长的刚性管

内的流动。

    伏特电池是由于偶然的观察而发现的。这个发现，最初似乎要引到另外一个方向去。
1
786年左右，意大利人伽伐尼发现蛙腿在起电机的放电的影响下发生收缩。在这次观察之后

，他又发现：如果使神经和肌肉同两种不相类似的金属连接起来，而使金属互相接触，也

可以得到同样的收缩。伽伐尼把这些效果归因于所谓“动物电”；后来，另外一个意大利

人帕维亚的伏特（Voita of Pavia）出来，证明这种基本现象并不依赖于一种动物物质的

存在。1800年，伏特发明了以他的姓得名的电池。在十九世纪初年，这种电池成为一种研

究的工具，在伏特和他的同时代的别国人手中，产生了一些很有趣味的结果。当时的科学

杂志登满了奇异的新发现的消息。当时的人都用极大的热情去研究这些发现，其热烈的程

度，不亚于一世纪以后，人们阐释气体中的放电与放射现象时，所表现出的那种热忱。


    伏特所制的电池，是用一串锌盘、铜盘以及为水或盐水浸湿的纸张，按下列次序相叠

而成的：锌，铜，纸，锌，如此类推……最后是一个铜盘。这样一种组合，其实就是一个

原始的原电池组。每一对小盘为浸湿的纸隔开，而成一个电池，造成少许电位差。这些小

电池的电位差加在一起，便成了电池组铜锌两端的相当大的总电位差（或不恰当地叫做电

动力）。另一种装置法是把若干装有盐水或稀酸的杯子集合在一起，每个杯子装置一块锌

片和一块铜片。前一杯子的锌片与次一杯子的铜片相联，这样一直继续下去，留下最先一

个锌片和最后一个铜片，作为电池组的两极。伏特以为效果的来源在金属的联接处；因此

圆盘和两极的金属片的次序才如以上所述。这些金属片或圆盘不久便发现是无用的，虽然

它们在这种仪器的早期图画中占有重要地位。

如果我们从伏特的电池取用电流，其强度便迅速地衰减，主要由于铜片的表面上生了一层

氢气膜。这种电极化，可用硫酸铜溶液围绕铜片来阻止，这样生成的物质是铜而非氢；或

用碳棒代替铜片，把它放在氧化剂如硝酸或重铅酸钾的溶液中，这样所产生的氢气就立刻

变为水。

化学效应

    当伏特的发现的消息在1800年传到英国时，立刻就有人进行广一些基本观察，促成了

电化学的诞生。尼科尔森（Nicholson）与卡莱尔（Carlisle）在把伏特电池的原来装置加

以改变时发现：如果用两条黄铜丝连结电池的两极，再将两线的他端浸在水中，并使其互

相接近，一端有氢气发生，另一端的黄铜线被氧化。如用白金丝或黄金丝来代替黄铜丝，

则不发生氧化，氧以气体状态出现。他们注意到氢气的容积约为氧气的二倍，这正是氢氧

二气化合成水的比例。他们说明这种现象就是水的分解。他们还注意到使用原来的装置时

，电池内也有类似的化学反应。

    不久，克鲁克香克（Cruichshank）分解了氯化镁、碳酸钠（苏打）和氨（阿摩尼亚）

溶液，并且从银和铜的溶液中，将这些金属沉淀出来。这一结果以后导致电镀的方法。他

又发现在阳极周围的液体变成碱性，而阴极周围的液体变成酸性。

    1806年，戴维爵士（1778-1829年）证明酸与碱的形成是由于水中的杂质的缘故。他在

以前已经证明，即使将电极放在两个林中，水的分解也可进行，但须用植物或动物材料将

两个杯子联接起来。同时他还证明电效应与电池内化学变化有密切关系。

    伏特认为伽伐尼现象与电是同一现象。这个问题成了许多人研究的题目。到1801年，

沃拉斯顿（Wollaston）证明两者发生相同的效果之后，才确定两者确是同一现象。1802年

，埃尔曼（Erman）使用验电器测量了伏特电池所提供的电位差。这时，才明白老现象表现

“紧张中的电”，而新现象表现“运动中的电”。

    按照公认的惯例，我们一致同意假定电向所谓正电方向流动，即在电池内由锌版流到

铜版（或碳棒），在电池外沿着导线由铜流到锌。根据这个惯例，铜版称为电池的正段，

而锌版称为负极。

    1804年希辛格尔（Nisinger）与柏采留斯宣布中性盐溶液可用电流分解，酸基出现于

一极，金属出现于另一极，因而他们断定：新生性的氢元素并不象以前所假想的那样，是

金属从溶液中分离的原因。在当时所知道的金属中，有许多都用这个方法制备出来了，18
0
7年，戴维更分解了当时认为是元素的碳酸钾与碳酸钠。他让强电流通过含水的这两种物质

，而分离出惊人的钾与纳金属。戴维是康沃尔城（Cornwall）人，聪明、能干而又会讲话

，他做了那时新成立皇家学院的化学讲师，他的讲演趣味丰富，吸引了许多人士参加。


    化学化合物可以用电的方法来分解，说明化学力与电力之间是有联系的。戴维“提出

一个假设，说化学的吸力与电的吸力同生于一因，前者作用在质点上，后者作用在质量上

”。柏采留斯更将这看法加以发展。我们已经说过，他认为每个化合物都由带相反的电的

两份结合而成，这带电的部分可能是一个或一群原子。

    一个可注意的事实是分解的产物只出现于两极。早期的实验者已经注意到这现象，并

提出各种不同的解释。1806年，格罗撤斯（Grotthus）设想这是由于溶液中的物质不断地

在那里分解与复合，在两极间，互相邻接的分子互换其相反的部分，在这条联链的两端，

相反的原子就被释放出来。

    在电化学方面的最初发现以后，中间停顿了一个时期，到后来，大实验家法拉第（Mi
c
hael Faraday，1791－1867年）才重新拾起这问题来。法拉第是戴维在皇家学院实验室的

助手与继承人。

    1833年，法拉第在惠威尔的建议下，制定一套新名词，至今还在使用。他不用pole（

极）这个字，因为它含有相引相斥的陈旧观念，而采用electrode（电极）（&&&s＝路径）

一词，将电流进入溶液的一端叫做anode（阳极），出来的一端叫做Cathode（阴极）。化

合物的两部分，循相反的方向在溶液中行动的，叫做ions（离子）（io＝我去）；走向阴

极的叫cations（阴离子），走向阳极的叫ani－ons（阳离子）。他又用electrolysis（电

解）（0。一分解）一词来代表整个过程。

    经过一系列的巧妙的实验，法拉第将复杂的现象归纳成为两个简单的结论，即我们所

说的法拉第定律。（1）不管电解质或电极的性质是什么，由电解所释出之物的质量与电流

强度及通电时间成比例，换句话说即与通过溶液的总电流量成比例。（2）一定量的流量所

释出之物的质量与这物质的化学当量成比例．即不与原子量，而与化合量成比例，亦即与

原子价除原子量的数值成比例；例如释放1克氢元素，必出现16＋2即8克的氧元素。通过一

单位电流所释出之物的质量叫做该物质的电化当量。例如1安培的电流（即C．G．S．单位

的1／10）通过酸溶液1秒钟之后，即有1．044×10[－5]克的氢被释出来，如用银盐溶液即

有0．00118克银分离出来。这样分离出来的银的重量很容易加以精确的秤量，所以后来竟

把它作为电流的实用单位即安培的定义。

法拉第的定律似乎可以应用于一切电解情况；相同的一定电流量总是释放出单位当量的物

质。电解必须看做是游动的离子在液体中带着相反的电到相反的方向去。每一离子带一定

量的正电或负电，到电极时就释放离子，而失去电荷，只要电动力的强度可以胜过反对的

极化力。后来赫尔姆霍茨说：法拉第的工作表明，“如果接受元素是由原子组成的假设，

我们就不能不断定：电也分成一定的单元，其作用正和电的原子一样”。如此说来，法拉

第的实验不但成为理论电化学及应用电化学以后的发展的基础，而且也是现代原子与电子

科学的基础。

电流的其他性质

    虽然早期实验者的注意主要集中在伽伐尼电流的化学效应上，他们也没有忽视其他现

象。不久他们便发现；当电流通过任何导线时，就有热发生，多寡依照导线的性质而不同

。这种热效应在现今的电灯、取暖等方面，有极大的实用价值。另一方面，1822年，塞贝

克（Seebeck）发现两种不同金属联接成闭合线路时，在其接头处加热，便有电流发生。另

外一个更有兴趣的现象是：电流具有使磁针偏转的力量。1820年，哥本哈根的奥斯特（Oe
r
sted）发现这一现象。他看见这效应穿过玻璃、金属和其他非磁性的物质而达到磁针。他

还认识到，他或他的翻译者所谓的“电冲突”“形成圆圈”，按照我们现在的说法就是：

在长而直的电流周围有圆形的磁力线。

    人们，特别是安培（Andre Marie Ampere，1775－1836年）立刻认识到奥斯特的观察

结果的重要性，安培指出，不但磁针受了电流周围的力的作用，电流自己也互相发生作用

。他用活动的线圈进行实验，来研究这些力的定律，并据数学证明：一切观察到的现象都

符合以下的假设：每一长度为dl的电流元，必在其外面的一点上产生cdl sin O／r2的磁力

，式内c表电流的强度，r是电流元与这一点之间的距离，O是r与电流方向之间的角度。这

样，由电流所生的力又归结到平方反比的定律，因此就同万有引力及磁极间、电荷间的力

一致了。这又是走向“场物理学”的另一步。

    自然，这种电流元不能用实验分离出来，但是按照安培的公式，将所有电流单元的效

应都加合起来，我们就能计算出电流附近的磁场。

    根据安培的公式，我们也能算出磁场内的电流所受的机械力。在空气中磁极强度m所造

成的磁力为m／r2，所以m＝cdl sin θ。在磁场H中。所受的机械力是Hm，所以在空气中安

培的电流元所受的力为Hcdl sinθ。从这个公式计算实际电路上的机械力，不过是数学问

题而已。

    远距通信是从眼睛看得见的信号开始的。散布乡间的许多“烽火台”，是久已废弃的

信号岗位的遗迹。它们曾把拿破仑登陆的消息迅速地传达到了伦敦。电方面的每一个新发

现都促使人们提出一些使用电报通信的意见，但在安培把他研究电磁所得的结果加以应用

以前，这些意见都没有什么结果。在安培的成果发表以后，实际机器的发明与采用，就仅

仅是机械师的技巧与金融界的信任问题了。

    1827年左右，欧姆（Georg Simon ohm， 1781-1854年）做出很多贡献，帮助从电的现

象中抽绎出几种能够确切规定的量来。他用电流强度与电动力的观念代替了当时流行的“

电量”和“张力”等模棱的观念。电动力一词相当于静电学中已经使用的“电位”。当张

力或压力很高的时候，要将电从一点运到他点，必需要较多的功，因此电位差或电动力可

以定义为将一单位的电由一点搬到他点时为了反抗这个电力所作的功。

    欧姆关于电的研究是以傅立叶关于热传导的研究（1800－1814年）为根据的。傅立叶

假设热流量与温度的梯度成正比，然后用数学方法建立了热传导的定律。欧姆用电位代替

温度，用电代替热，并且用实验证明这些观念的有用。他发现：如电流由伏特电池组或塞

贝克温差电偶流出，通过一根均匀的导线，其电位的降落率是一个常数。欧姆定律一般写

作：电流c与电动力E成比例，

c＝kE＝E/R，

式内k是一个常数，可名为传导率，而其倒数1／k或R，称为电阻。R只随导体的性质、温度

与大小而异，它与导体的长度成正比，而与其横剖面的面积成反比。这后一事实表明电流

是在导体的全部质量中均匀地通过。后来发现，在很高远的交流电的情形下，还须加一些

修改。

经安培与欧姆的努力之后，电流的问题已经到了新物理学的重要阶段，因为适当的基本量

已经选出，并有了确定的意义，因而给数学上的发展奠定了坚固的基础。

光的波动说

    十九世纪初年，还有另外一个古老的观念复活起来和确立起来，这便是光的波动说。

我们说过：光的波动说在十七世纪只有胡克等人模糊主张过，后来惠更斯才给予它一个比

较确定的形式。牛顿根据两个理由加以挥斥。第一，它不能解释物影，因为牛顿以为如果

光是波动的话，光波也如声波那样，会绕过阻碍之物。第二，冰洲石的双折射现象说明光

线在不同的边上有不同的性质，而在传播方向上颤动的光波不能有这样的差异。托马斯·

杨（ThomasYoung，1773－1829年）与弗雷内尔（Augustin Jean Fresnel，1788－1827年

）对这个学说赋予近代形式，而克服了这两个困难。不过有一件事是值得回忆的：牛顿以

为薄膜的颜色说明光线里的微粒使以太中产生附从波。这个学说与现今用来解释电子性质

的理论，惊人地相似。

       杨使一束极狭窄的白光通过屏上的两个针孔，再把一个屏放在第一个屏后面。当穿

过两个针孔的光线在第二屏上互相重叠时，就有一串颜色鲜亮的光带出现。这些光带是由

于从两个针孔光源而来的同类光波互相干涉而形成的。如果一个光波到达第二屏所走的路

程和另一光波的路程的相差数恰为波长的一半，则这一光波的峰与另一光波的谷就恰好相

遇，结果就产生黑暗。如果两个光波前进的路程恰恰相等，两者的波峰就恰好相遇，光亮

也就加倍。我们实际所看见的光是由白光除掉一个波长的光所留下的多色光。如果我们不

用多色混成的白光，而用单色光作实验，则所得的将是明暗相间而非彩色的光带。

    由所用的仪器的尺寸以及光带的宽度，我们可以计算出各种单色光的波长。这些波长

经证明是非常之短，其数量级为一时的五万分之一，或一毫米的二千分之一，和牛顿认为

易反射和易透射的间歇长度恰相符合。由此可见，在光线的路径中，一般障碍物的大小比

光波的长度大得很多，而且数学上的研究证明，如果我们假定一个前进的波阵面分解为无

数同心圈，都环绕着与人目最接近的波阵面上的一点，那么，除了挨近那一点的同心圈之

外，其余的同心圈必因干涉而相消，因而我们眼睛所看见的只有沿着直线而来的光。这样

，光差不多只沿直线进行，遇着障碍物而弯曲的现象只限于微小的衍射效应。

    牛顿的第二困难为弗雷内尔所克服。胡克偶尔提到光波的颤动，可能与光线的方向相

正交，弗雷内尔指出这个提示说明一线光在各方向上可能有不同的性质。如果我们看看一

个前进光的波阵面，它的线性颤动非上下的即左右的。这样的线颤动应产生所谓平面偏振

光。如果一块晶体在一位置上只能让一个方向的颤动通过，第二块同样的晶体沿着晶轴旋

转90度之后，必将通过第一晶体而来的光完全遮断。这正是光线通过冰晶石的现象。

    弗雷内尔利用数学将光的波动说发展到很圆满的境界。虽然还有一些困难，但大体说

来，他的完善的学说与观测到的事实异常符合。他和他以后的人如格林、麦克卡拉（MacC
u
llagh）柯西（Cauchy）、斯托克斯（Stokes）、格莱兹布鲁克（Glazebrook）等人经历一

个世纪，才把古典的光的波动说确立起来。

    如果光波是与其前进的方向成正交的，则其媒质必须具有使这样的波能在其中传播的

结构。气体与液体都不能具有这种结构。因此，如果光是机械式的波动，则传光的以太必

定有与固体类似的性质：即它必定带有刚性。这就是把以太看做是有弹性的固体的许多学

说的开端。怎样才能把光的媒质所必需的这种性质和行星的运动没有遇到可观的阻力的事

实调和起来呢？十九世纪头七十年的许多聪明物理学家为此绞尽了脑汁。为了解释这种必

要的刚性，后来甚至有人设想以太具有回转仪式的旋转运动。

    正如爱因斯坦所指出的，光的波动说的成功，在牛顿物理学中打开了第一道缺口，虽

然当时没人知道这个事实。牛顿把光看做是在空间中运行的微粒的学说，和他的别的哲学

很相配合，可是这些微粒为什么只以一个不变的速度运动，很难了解。但等到人们开始把

光看做是波动的时候，再要相信一切实在的东西都是由在绝对空间里运动的微粒所组成的

，就已经不可能了。以太是为了保存机械观点而臆造出来的，只要可以把光看做是在类似

刚体的煤质中传播的机械波动，以太就完成了这个任务，可是，如果假定以太无所不在，

它已经在某种意义上与空间本身合而为一了。但法拉第指出空间也有电和磁的性质，到麦

克斯韦证明光是电磁波时，以太就不必一定是机械的了。

光的波动说揭开了现今所谓场物理学的第一章。由法拉第和麦克斯韦的工作写成第二章，

把光与电磁联系起来。在第三章里，爱因斯坦用几何学来解释万有引力。也许有一天，万

有引力可能和光与电磁波在更大的综合里联系起来。爱丁顿就一直在作这样的努力。

电磁感应

    由静电的感应而生的静电荷以及磁石对于软铁的类似作用，使早期实验者想到利用伏

特电池发出的电流也许可得同样的效果。例如法拉第就用两根绝缘线按螺旋的形式缠绕在

同一根圆木筒上，但是，当他使强电流不断地通过一根螺旋线时，他在另一螺旋线里的电

流计上，没有发现有什么偏转。

    他的第一个成功的实验，在电学史上打开了一个新纪元。1831年11月24日，他向皇家

学会这样描写这次实验

    把一根203呎长的铜丝缠在一个大木块上，再把一根长203呎的同样的钢丝缠绕在前一

线圈每转的中间，两线间用绝缘线隔开，不让金属有一点接触。一根螺旋线上连接有一个

电流计，另一根螺旋线则连接在一套电池组上，这电池组有100对极版，每版四时见方，而

且是用双层铜版制造的，充分地充了电。当电路刚接通时，电流计上发生突然的极微小的

效应；当电路忽断的时候，也发生同样的微弱效应。但当伏特电流不断地通过一根螺旋线

时，电流计上没有什么表现，而在另一螺旋线上也没有类似感应的效应，虽然整个螺旋线

的发热以及碳极上的放电，证明电池组的活动力是很大的。

    用120对极版的电池组来重做这个实验，也未发现有别的效应，但从这两次实验，我们

查明了一个事实：当电路忽通时，电流计指针的微小偏转常循一个方向；而当电路忽断时

，同样的微小偏转则循另一方向。

    到现在为止，我用磁石所得的结果，使我相信通过一根导线的电池电流。实际上在另

一导线上因感应而产生了同样的电流，但它只出现于一瞬间。它更带有普通来顿瓶的电震

产生的电浪的性质，而不象从伏特电池组而来的电流；所以它能使一根钢针磁化，而很难

影响电流计。

    这个预期的结果竟得到了证明。因为用缠绕在玻璃管上的中立的小螺旋线来代替电流

计，又在这个螺旋线里安装一根钢针，再如前把感应线圈和电池组连结起来，在电路未断

以前将钢针取出，我们发现它已经磁化了。

    如先通了电，然后再把一根不曾磁化的钢针安放在小螺旋线内，最后再把电路切断，

我们发现钢针的磁化度表面上和以前一样，但是它的两极却与以前相反。

用现今的灵敏电流计，我们很容易重做法拉第的实验。只须用一个伏特电池作为原电流，

而使原电路与副电路作相对的移动，或用一个永磁铁和一个与电流计相联的线圈作相对移

动，都可以证明有同样的暂时电流的发生。法拉第电磁感应的发现，为后来工业的大发展

奠定了基础。差不多一切实用上重要的电力机器，都是根据感应电流的原理制成的。




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