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第2章 電及電子電場(1/5)

作者:單純至深字數:28656更新時間:2024-03-29 04:07:39

    電,漢語常用字,讀作diàn,最早見於甲骨文,古文字“電”為會意字,本義是閃電,《說文》:“電,陰陽激燿也。”引申為物質中存在的一種能,人們利用它來使電燈發光,機械轉動等;由閃電引申為像閃電一樣的光亮;由閃電又引申為迅速。

    字源演變

    “申”是“電”和“神”的本字。古文字“電”為會意字。清王筠《說文解字句讀》:“知申是古電字,電則後起之分別文。”申,甲骨文(圖A)像神秘而令人驚恐的霹靂、朝各個方向開裂伸展的閃電。當“申”的“閃電”含義消失後,金文(圖B)在“申”的字形基礎上再加“雨”另造“電”代替,強調“電”與雨天相伴的霹靂天象特征。篆文(圖C)誤將金文字形中劈靂形象寫成“申”,誤將金文字形中霹靂兩端的杈枝形狀寫成兩手形狀,導致霹靂的形象消失。隸書(圖D)將篆文字形中的“申”寫成“電”。簡體楷書“電”省去正體楷書(圖E)字形中的“雨”,又恢複到“申”的字形。

    電

    電(Electricity)是一種自然現象,指靜止或移動的電荷所產生的物理現象,是像電子和質子這樣的亞原子粒子之間產生的排斥力和吸引力的一種屬性。自然界的閃電就是一種電現象。電磁力反吸引力是自然界四種基本相互作用之一。電子運動現象有兩種:缺少電子的原子稱為帶正電荷,有多餘電子的原子稱為帶負電荷。電發展出了現代電力工業和電子科技。在現實生活中,電的機製給出了很多眾所周知的效應,例如閃電、摩擦起電、靜電感應、電磁感應等等。人們利用它來使電燈發光,帶動機械轉動等。

    古代發現

    早在對於電有任何具體認知之前,人們就已經知道發電魚(electric fish)會發出電擊。早在4750年前撰寫的古埃及書籍記載,這些魚被稱為“尼羅河的雷使者”,是所有其它魚的保護者。大約兩千五百年之後,希臘人、羅馬人,阿拉伯自然學者和阿拉伯醫學者,才又出現關於發電魚的記載。

    古羅馬醫生 Scribonius Largus 也在他的大作《Compositiones Medicae》中,建議患有像痛風或頭疼一類病痛的病人,去觸摸電鰩,也許強力的電擊會治愈他們的疾病。

    阿拉伯古人可能是最先了解閃電本質的族群。早於15世紀以前,阿拉伯人就創建了“閃電”的阿拉伯字 “raad”,並將這字用來稱呼電鰩。

    在地中海區域的古老文化裏,很早就有文字記載,將琥珀棒與貓毛摩擦後,會吸引羽毛一類的物。2600年前左右,古希臘的哲學家泰勒斯(Thales, 640-546B.C.)就做了一係列關於靜電的觀察。從這些觀察中,他認為摩擦使琥珀變得磁性化。這與礦石像磁鐵礦的性質迥然不同;磁鐵礦天然地具有磁性。泰勒斯的見解並不正確。但後來,科學證實了磁與電之間的密切關係。

    近代研究

    但是幾千年來,人們隻是觀察了雷電等自然現象,並不了解電的本質,直到1600年,由於英國科學家威廉·吉爾伯特的嚴謹科學態度,才開始對於電與磁的現象出現進行了係統性研究。吉爾伯特是英國女王伊麗莎白一世的皇家醫生,他對於電和磁特別有興趣,撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》。這是一本具有現代科學精神的書籍,著重於從實驗結果論述。吉爾伯特指出,不隻是琥珀可以經過摩擦產生靜電的物質,鑽石、藍寶石、玻璃等等,也都可以表現出同樣的電學性質,在這裏,他成功地擊破了琥珀的吸引力是其內秉性質這持續了2000年的錯誤觀念。吉爾伯特製成的靜電驗電器可以敏銳的探測靜電電荷。在之後的一個世紀,這是最優良的探測靜電電荷的儀器。

    先前,意大利數學家和醫生吉羅拉莫·卡爾達諾列出一些電現象與磁現象的不同之處。從卡爾達諾的結果,吉爾伯特得到很多啟發,他提出更多分歧之處:帶電物質會吸引所有其它物質,而磁石隻會吸引鐵器;琥珀需要磨擦才能產生電性,而磁石不需要任何動作;磁石會將物體按照某定向排列,而帶電物質則隻會吸引其它物質。吉爾伯特創建了新拉丁術語“electrica”(類似琥珀,從“ήλεκτρον”,“elektron”,希臘文的“琥珀”),意思為像琥珀的吸引方式一般的那些物質。

    由於他在電學的眾多貢獻,吉爾伯特被後人尊稱為“電學之父”。後來,從“electricus”又衍生了英文詞語“electric”和“electricity”,這兩個英文字最先出現於托馬斯·布朗的1646年著作《世俗謬論》(Pseudodoxia Epidemica,英文書名《Vulgar Errors》)。之後,科學家奧托·馮·格裏克、羅伯特·波義耳、史蒂芬·葛雷(Stephen Gray) 、查理·杜費(Charles du Fay) 等等,都做了更進一步的研究。

    1767年,約瑟夫·普利斯特裏做實驗發現,在帶電金屬容器的內部,電作用力為零。從這實驗結果,他準確猜測,帶電物體作用於彼此之間的吸引力與萬有引力都遵守同樣的定律。1785年,查爾斯·庫侖用扭秤(torsion balance)做實驗證實了普利斯特裏的猜測,兩個帶電物體施加於彼此之間的作用力與距離成平方反比。他奠定了靜電的基本定律,即庫侖定律。於此,電的研究已提升成為一種精密科學。

    1791年,路易吉·伽伐尼發現,假設將青蛙與靜電發電機連結成閉合電路,然後開啟靜電發電機,則青蛙肌肉會顫動。這實驗演示出,神經細胞倚賴電的媒介將信號傳達到肌肉。他因此創建了生物電學術領域。1800年,亞曆山大·伏打伯爵將銅片和鋅片浸於食鹽水中,並接上導線,製成了第一個電池:伏打電堆,堪稱是現代電池的元祖。伏打電堆給予科學家一種比靜電發電機更穩定的電源,能夠連續不斷的供給電流。

    1820年,漢斯·奧斯特在課堂做實驗時意外發現,電流能夠偏轉指南針的方向,演示出電流周圍會生成磁場,即電流的磁效應。隨後,安德烈·瑪麗·安培對於這現象做定量描述,給出安培力定律與安培定律。他們兩個人的研究成果成功地將電與磁現象連結在一起,共稱為“電磁現象”。應用這理論,可以製作出來磁性超強勁於天然磁石的電磁鐵。1827年,格奧爾格·歐姆發展出一套精致的數學理論來分析電路。

    1831年,麥可·法拉第與約瑟·亨利分別獨立地發現了電磁感應──磁場的變化可以生成電場。1865年,詹姆斯·麥克斯韋將電磁學加以整合,提出麥克斯韋方程組,並且推導出電磁波方程。由於他計算出來的電磁波速度與測量到的光速相等,他大膽預測光波就是電磁波。1887年,海因裏希·赫茲成功製成並接收到麥克斯韋所描述的電磁波。麥克斯韋將電學、磁學與光學統合成一種理論。

    1859年,德國物理學家尤利烏斯·普呂克將真空管兩端的電極之間通上高壓電,產生陰極射線。物理學者發現,陰極射線是以直線傳播,但其傳播方向會被磁場偏轉。陰極射線具有可測量的動量與能量。1897年,約瑟夫·湯姆孫做實驗證實,陰極射線是由帶負電的粒子組成,稱為電子,因此他發現了電子。 本章尚未完結,請點擊下一頁繼續閱讀---->>>

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