物理学史3.4 稳恒电流的获得与研究.doc

3.4 稳恒电流的获得与研究 18世纪末，电学从静电领域发展到电流领域。这是一大飞跃，发端于动物电的研究，意大利学者伽伐尼和伏打在这方面起了先锋作用。 3.4.1 伽伐尼的研究 伽伐尼是一位解剖学教授，1780年9月的一天，他在解剖青蛙时偶然发现电效应，他和学生一起作解剖实验，一个学生用手术刀轻轻触动了青蛙的小腿神经，这只青蛙立即抽搐了起来。当时，另一学生正在附近练习使用摩擦起电机。他注意到青蛙抽搐时，正好是起电机发出火花的那一瞬间。伽伐尼没有放过这一机会，立即研究起来。他早就知道，类似。1772年，英国的华尔士发现鱼鳗的放电是在背脊和胸腹的两点之间。解剖的结果是：在鱼体内有一长圆柱体，电就是从那里发出来的。伽伐尼敏锐地感到这是研究动物电的一个极好范例。他想会不会在青蛙体内也有类似组织？这个现象和手术刀有什么关系？为什么正好在这时起电机也放电呢？伽伐尼为了掌握青蛙抽搐的规律，安排了一系列实验。起先他只用刀尖触青蛙神经，然后只让起电机打电火花，都不能使蛙腿抽搐。接着，伽伐尼把青蛙用铜钩子挂在花园的铁栏杆上，结果发现在闪电来临时，青蛙也会抽搐。伽伐尼又把青蛙放在铁桌上，用铜钩子碰青蛙腿，只要铜钩子另一端触及桌面，即使没有任何其它带电体在场，蛙腿也会抽搐。显然他已触及现象的本质，可是，由于动物电的观念先入为主，他坚持用动物电说明所有这些现象，使他无力作出正确的解释。伽伐尼在1791年发表了题为肌肉运动中的电力，文中写道：“我们想到用不导电或不大导电的其它物体，如由玻璃、橡皮、树脂、石或木等物质制成的，但都是干的东西来试。结果都不发生这样的现象，既看不到肌肉的紧缩，也看不到肌肉的运动。这当然激起了我们的惊奇，并使我们以为动物本身就有电。我们认为这种看法是正确的，因为我们的假定是，在紧缩现象发生时，有一种很细的神经流体从神经流到肌肉中去，就象莱顿瓶中的电流一样。”伽伐尼的著作发表以后，欧洲各国对动物电形成了研究热潮，很多人投入到这项实验之中。 3.4.2 伏打的研究 在这些研究者中间，有一位意大利的自然哲学教授伏打，他细心重复了伽伐尼的实验，发现伽伐尼的神经电流说有问题。他拿来一只活青蛙，用两种不同金属构成的弧叉跨接在青蛙身上，一端触青蛙的腿，一端触青蛙的脊背，青蛙就可以抽搐，用莱顿瓶经青蛙的身体放电，青蛙也发生抽搐，说明两种不同金属构成的弧叉和莱顿瓶的作用是一样的。换句话说，这些现象是外部电流作用的结果。后来，在伏打的外部电（金属接触说）和伽伐尼的内部电（神经电流说）之间展开了长期的争论。为了阐明自己的观点，伏打继续进行了大量实验。他比较了各种金属，按金属相互间的接触电动势把各种金属排列成表，其中有一部分是：锌铅锡铁铜银金石墨。只要将表中任意两种金属接触，排在前面的金属必带正电，排在后面的必带负电。这样，伏打一举就全面地解释了伽伐尼和其他人做过的各种动物电实验。1800年，伏打进一步把锌片和铜片夹在用盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源，这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或稀酸杯中，也可以形成电源，叫做伏打电池。伏打为了遵重伽伐尼的先驱性工作，在自己的著作中总是称之为伽伐尼电池。所以，以他们两人名字命名的电池，实际上是一回事。伏打电堆（电池）的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能从各方面研究电流的各种效应。从此，电学进入了一个飞速发展的时期研究电流和电磁效应的新时期。 3.4.3 欧姆定律的发现 欧姆定律是电学中又一条基本定律，发现于1826年。欧姆（G.S.Ohm）原是一名中学数学、物理教师。他是在傅里叶（J.B.J.Fourier）的热传导理论的启发下进行电学研究的。傅里叶假设导热杆中两点之间的热流量与这两点的温度差成正比，然后用数学方法建立了热传导定律。欧姆认为电流现象与此类似，猜想导线中两点之间电流也许正比于这两点的某种推动力之差。欧姆称之为电张力（electric tension）。这实际上是电势概念。为了证实自己的观念，欧姆下了很大功夫进行实验研究。开始欧姆所用电源是伏打电堆，由于这种电源不稳定，给欧姆的实验带来很大困难。1821年塞贝克（T.J.Seebeck）发明温差电偶。波根道夫（J.C.Poggendorff）建议欧姆采用温差电偶做电源，这才得到稳定的电源。当时，电流强度的测量还是尚未解决的技术难题。欧姆先是打算用电流的热效应，从热膨胀的效应来测量电流强度。后来，欧姆自己设计了一种电流扭秤，把电流的磁效应和库仑扭秤结合在一起，测量电流强度是通过挂在扭丝下的磁针所偏转的角度。这一装置如图34。温差电池是由弯成abba形的铋条和两根铜条组成，ab端插入装有碎冰雪的容器中，ab端则插入另一装有沸水的容器中。电流扭秤的扭丝和磁针置于圆筒形玻璃罩中，磁针偏转的角度用一放大镜观测。欧姆取八根粗细相同，长度不同的板状铜丝，分别接入电路，测出每次的电流磁作用强度（实际上是与电流强度成比例关系的磁针偏转角度）。最后表示成：其中X表示长度为x的导体所对应的磁作用强度，a与b是依赖于电路的两个常数。我们现在可以判断，欧姆的a相当于电动势，b相当于除待测导体之外的回路电阻，X相当于电流强度。1826年，欧姆先后发表了两篇论文。第一篇题为：论金属传导接触电的定律及伏打仪器和希外格尔倍加器的理论，报导了他的实验结果。第二篇题为由伽伐尼电力产生的电现象的理论。他仿照傅里叶的热传导理论，从理论上推出如下公式：X=kw（a/l）及 u-c=（x/l）a，其中X是长度为l、截面为w、导电率为k的导体中的电流强度，a为导体两端的电张力（势）差，u为导体中某一变点（位置为x）的电张力（即电势），c为一与x无关的常数。这就是现在的欧姆定律，等效长度实际上就是电阻。次年，欧姆发表用数学推导的伽伐尼电路一书，严格推导了电路定律。欧姆定律的建立在电学发展史中有重要