电磁学的出现是一个“意外”吗?

日期: 2025-01-18 12:01:11 |浏览: 20|编号: 65496

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电磁学的出现是一个“意外”吗?

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第一个电池,即伏打堆,是电动力学的唯一且秘密的入口。直到亚历山德罗·沃尔塔发现伏打20年后,人们才意识到它最关键的作用不是作为恒压源而是作为电流源。这是人们之前没有预料到的,所以之前也没有人刻意建造过这样的装置。它的出现很大程度上是由于实验中的好运气和巧合。

1800年3月20日,伏打写信给英国皇家学会主席约瑟夫·班克斯爵士,在信中他介绍了一种制作伏打电堆的方法。他通过合理的方法混合了几种金属和盐溶液。组合起来创建一个稳定的电压源。他还没有意识到,这一成就将打开科技新世界的大门。

伏打桩

1800年,电流的概念还不为人知。伏打桩发明后,人们谈论伏打桩所连接的电线中的“电冲突()”。直到1820年,安培才意识到电流就是电荷的流动。没有人尝试建造电流源,因为没有人能预见到移动的电荷会产生磁性。电动力学的发现是基于大量的巧合。

青蛙腿颤抖

故事始于 1756 年,当时马克-卡达尼发现青蛙腿在接触静电发生器时会剧烈抽搐。 1786年9月,路易吉做出了令人震惊的发现:即使没有静电发生器,青蛙腿也会抽搐。

我们现在可以理解加沃尼发生了什么:他不小心让青蛙的腿接触到了两种不同的金属。由于青蛙的腿含有导电液体,加尔沃尼制造了第一块电池,而且由于青蛙的腿含有神经,它既可以产生也可以检测到这种新现象。在这里,巧合发挥了作用。加尔沃尼相信他发现了一种神秘的“生命力”。沃尔特意识到这些现象的原因不是“能量”而是不同金属之间的接触。

从我们现在的观点来看,即使是伟大的沃尔特也错了。沃尔特的实验和反应是“错误的理论也可以导致正确的实验”的经典例子。我们将更仔细地研究这段历史。

第一块电池的诞生

用于测量低电压的伏打静电计

1792年后,伏打研究了不同金属之间的接触电压。 1795年,他使用可变电容器制造了灵敏的静电计。事实上,他制造的测量工具非常复杂,可以测量电压,精度达到 1 伏。 1799年,他首次测量了不同金属之间的接触电压。只有当金属接触断开时才能测量接触电压。电压决定了由不同金属组成的闭合电路中的总接触电压为0。此时,他意识到仅使用金属无法创建稳定的电源。

伏打测量金属之间的接触电压。上层金属(银)通过接触下层金属(锌)而获得静电荷,并由静电计检测到。

1799年,沃尔特开始研究液体与金属之间的接触电压。此时他也测量了接触断开后出现的现象。事实上,他的实验表明金属和液体之间的接触电压也为零。在这里,沃尔特的论点有一个漏洞。在他的实验中,少量液体覆盖了金属表面。因此,他没有将液体和金属分开。他只是打破了液体与液体之间的接触。 。

伏打法测量金属和盐水之间的接触电压。当接触被切断时,金属表面仍附着一层薄薄的液体,静电计无法检测到电荷。

后来沃尔特发现了一种创造稳定电源的方法。他将锌片和银片叠在一起,在上面覆盖一层液体,然后再叠放一层锌片和一层银片。直到1827年去世,伏打一直相信伏打电堆的工作原理是金属之间的接触。他那一代的大多数物理学家也相信这一点。直到1836年,拉里夫()才发现了一种现代理论来解释伏打电堆的工作原理:当金属电极浸入液体中时,金属原子会产生一种以以下形式扩散到液体中的趋势:离子,从而在电极和液体之间产生可测量的电压。

左边是沃尔特的理论。 Volta认为金属之间的接触电压是电池能够工作的关键。右边是拉里夫的现代理论

磁与电的统一

伏打电堆的发明打开了电动力学的大门。二十年后,汉斯·奥斯特取得了突破。 1820年7月20日,奥斯特发表论文,指出电流可以影响小磁针的旋转,电和磁由此统一。直到20世纪初,爱因斯坦才正确提出,磁场可以看成经过洛伦兹变换后的电场,因此电和磁是一致的。

回到奥斯特时代:自1600年吉尔伯特发表《论磁》以来,人们一直在寻找电与磁之间的联系。吉尔伯特表示,与磁力类似,摩擦琥珀、蜡、玻璃、硫磺和宝石也会表现出奇妙的远距离效应,而且它们都会因摩擦而带电。因此,吉尔伯特对这种孤立现象的发现导致了一门新学科的诞生。他打开了静电学的大门。

奥斯特试图找到静电和磁之间的桥梁。他将磁针移近伏打电极,但没有发现任何效果。 1820 年,奥斯特发表了一场关于电线中“电冲突”的讲座:通过伏打堆加热电线。偶然放在桌子上的磁针微微转动。这一次,偶然因素也在科学发展史上发挥了重要作用。奥斯特发现电流的磁效应后,可以进行各种实验。接下来,安德烈-玛丽·安培又向前迈出了一大步。

1820年9月11日至18日这一周对于安培来说是充满创造力的一周。他做出了四项极其重要的发现。安培首先发现电流是电荷的流动。他发现了电流之间的相互作用,并假设所有磁性都源于电流。永磁体的磁性来自于体内永恒流动的电流。这个结论直到100年后才被爱因斯坦和德哈哈证实。由德哈斯证明。

爱因斯坦和德哈斯发表了“安培分子电流假说的实验证明”。他们的实验结果比预期糟糕一倍,因为他们只考虑了环流,对自旋的存在一无所知。

安培的第四个发现是一项实验技术,但在今天看来却如此不起眼,以至于很多人都没有认识到它的微妙之处:安培发明了线圈。从此,在科技领域创造强磁场成为可能。

法拉第在电动力学领域迈出了决定性的一步。如果电流可以影响磁针的旋转,那么磁场也一定可以影响电流。 1821年9月4日,法拉第制造出了第一台电动机,尽管它转动得很慢。据他的妻子说,他的眼睛里闪烁着喜悦的光芒。

法拉第 (1791-1867)

正如奥斯特和安培所说,电流可以产生磁力,因此磁场又可以产生电流。法拉第花了 11 年时间建造了这样一个设备,并保留了详细的研究日记。 1831年8月29日,这是一个值得纪念的日子。他发现了电磁感应现象。当变压器环形线圈中的电流接通和断开时,次级线圈中将感应出电流。检测到磁针。对于当时的法拉第来说,这是一种几乎无法观察到的微弱效应,但现在它已成为技术中不可或缺的原理。从自行车发电机到核电站,我们总是在磁场中移动线圈。

看来,鉴于巧合在实验中的历史重要性,也许我们现在应该资助更多基于巧合的实验。

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