無所不在的電

威廉·吉爾伯特把“電”這個字與一塊摩擦過的琥珀所產生的磁效應聯系起來，從而提出了大膽的設想。事實證明，這個設想是頗具預言性的。對吉爾伯特的研究頗感興趣，并予以進一步提升的科學家之一就是德國人奧托·馮·格里克，他是在吉爾伯特公開出版其巨著《論磁》兩年之后（1602年）出生的。格里克雖然是一位業余愛好者，但是卻不乏創造才能。

馮·格里克對空間的本質表現出了深厚的興趣。他曾經懷疑是否確實存在真空，即一個沒有任何物質的空間。他之前的亞里士多德和笛卡爾對這一問題都持否定性的態度。

還有兩個相關的問題是，行星如何在它們的運行軌道上運行？行星之間如何互相作用以及相互影響？針對這些問題，開普勒和吉爾伯特曾經提出了磁力動因說，而馮·格里克則開始對這一學說的真實性進行研究。在研究過程中，他研制出了一種能夠創造出部分真空的辦法。1650年，馮·格里克成功地發明了一種能夠用來把容器中大量空氣抽出的、非常具有實用意義的抽氣泵。與此同時，馮·格里克還對真空的各種物理屬性進行了研究。他曾經作出了如下的推斷：在真空里不會發生燃燒現象，但是真空中的磁鐵依然能夠對金屬物質產生吸附作用。

在1657年進行的馬德堡實驗中，馮·格里克把兩個銅制的半球形物體合在一起從而形成了一個圓球體，然后證明在把該球體中的空氣抽出之后，周圍空氣所形成的氣壓會使這個球體處于密封的狀態。為了對氣壓所產生的強大力量進行進一步的證實，馮·格里克讓兩組各有8匹駿馬組成的小隊試圖把這個圓球拉開，但是始終無法完成。另外，馮·格里克在維也納和柏林的宮廷里也進行了這個非常生動的實驗。

在證明了磁力可以穿越真空之后，馮·格里克開始試圖了解天體是否也會受到這種力量的作用。在對吉爾伯特的實驗進行考察之后，格里克對這一實驗進行了模仿，并研制出了一個由很多物質材料（如硫磺）構成的更大的圓球體。

格里克發現，在把這顆圓球旋轉起來，并用他的一只手對其進行摩擦之后，同樣能夠顯現出那種被吉爾伯特認為是電的物理效應。這個圓球就這樣獲得了吸附屬性，并會放出火花，而且即使在圓球不再轉動之后，這種效應仍然能夠持續下去。這激起了格里克的極大興趣，他接著制造出了一部機器，并通過這部機器的一個轉動的曲柄來轉動圓球體；在此之后，他還設計出了一個能夠使圓球轉得更快的用皮帶驅動的機器。最終，他還能夠使這個硫磺圓球發熱。格里克通過他所進行的第一個試驗證明了“電引起的發光”現象的存在。作為一種娛樂方式，馮·格里克實驗機器的復制品的受歡迎程度不亞于其嚴肅的科學研究。18世紀的上半期，靜電機器幾乎無處不在，同時還存在著很多由玻璃圓球或圓盤甚至是啤酒瓶制成的各種靜電機器。

在英國，斯蒂芬·格雷發現了與靜電有關的兩件事情：第一，靜電的無聲放電或者無聲傾瀉能夠沿著一條絲線被傳播出去；第二，被帶到“電源”附近的物體本身也會由于被電化而帶電。

在法國，查理·弗朗索瓦·西斯特尼·杜菲發現，帶電體能夠互相吸引或者排斥，這個現象使他認為存在著兩種形式的無聲放電，并將它們命名為玻璃質的和樹脂質的。

這些機器越來越成熟，并能夠制造出大量的靜電。然而如何把這些電能存儲下來成為最大的難題。最后，這個問題由德國發明家埃瓦爾德·G.馮·克萊斯特和荷蘭科學家皮埃特·凡·穆申布魯克分別于1745年和1746年解決。這兩位科學家分別發明了各自的設備，從而實現了對電能的儲存。

此外，這兩位科學家還發明了第一個電容器。他們首先用一個軟木塞把裝了半瓶水的瓶罐封閉起來，將一根金屬絲線穿過軟木塞并且使其能夠伸到瓶內的水里。然后，通過把金屬絲線靠近一個靜電發電機的方式來使其通電。當這個瓶罐從這個靜電發電機旁挪開的時候，那些電被留在了瓶罐內，這是任何碰到金屬絲線的人都能感覺到的。1745年2月，一封信被公開刊登在《皇家學會哲學匯刊》上。這封信描述了那個碰到金屬絲線的人的慘狀：“他在開始的一瞬間完全沒有了呼吸；然后，他感覺到右胳膊上劇痛，并就此落下了病根。”

馮·克萊斯特對這個系統進行了改善和提高。他在玻璃上涂了一層金屬層，從而使靜電可以直接穿越玻璃，進而直接抵達瓶罐內的水面。在這場早期的、顯示誰的技術更高一籌的較量中，穆申布魯克索性把這個簡陋的玻璃裝置的里里外外都涂滿了金屬層，從而使外部的金屬可以給內部的金屬直接施加電荷。在按照這個思路進行實驗之后，他發現位于金屬層中間的玻璃層越薄，瓶罐內所放射出的電火花就越劇烈。這個實驗結果似乎說明，電流是一股流體而不是兩股，而這個假設是被美國的發明家本杰明·富蘭克林所證明的。穆申布魯克的這個蓄電裝置被命名為“萊頓瓶”，這個發明的某些版本一直沿用至今。

到了18世紀中期，電學已經逐漸成為了最流行的學科。人們發明了一連串帶有電樞的設備。這種電樞圍繞電負荷旋轉，但是在通電的情況下則被排斥出去。“電不再是只屬于知識分子的專利，也不再是一個神秘得讓人神不守舍的新鮮事物，它很快便成為社會大眾談話中的一個話題。”科學歷史學家帕特麗夏·法拉如是寫道：“很多有錢人購進了他們自用的蓄電設備，而貴婦們則專心于制作能夠握在她們手中從而照亮她們的鯨骨裙的小型照明手電，或者用一道很有感覺的（如有點痛）電流之吻使她們的仰慕者心潮澎湃。”本杰明·富蘭克林發明了一口只要接觸到靜電就會鳴響的鐘，而亂夸海口的吹牛家則吹噓說靜電荷可以起到治愈從頭疼腳熱到大病小災在內的所有病痛。

隨著更大量的電荷被萊頓瓶儲存起來，以及許多萊頓瓶被連接起來用于儲存實驗研究中的大量電荷，人們越來越清楚地了解到了電的危險性。1750年，富蘭克林證明，他能夠在雷電交加的天氣中通過放飛一只裝有一個金屬頭和一根絲綢長線的風箏給萊頓瓶充電。由此，富蘭克林證明閃電也是一種靜電形式。另一個試圖用閃電為蓄電池充電的人則因雷擊身亡，這一慘烈的場面證明，地球上的電和天空中的電肯定都屬于同一種無聲放電現象。

1765年，啟蒙運動中的自由主義者約瑟夫·普利斯特里與本杰明·富蘭克林進行會面。在對政治問題進行討論時，他們也就彼此的電力學研究成果與心得進行了交流。富蘭克林積極鼓勵普利斯特里將其研究成果公開發表。1767年，普利斯特里終于公開發表了《電學的古與今：以原創實驗為視角》這部著作。除其他觀點之外，他著重指出：兩個電荷之間的吸引力和排斥力與兩者之間的距離依照平方反比定律發生變化。這也正好是牛頓對萬有引力問題的重要發現之一。

1785年，法國物理學家查爾斯·庫侖發明了一種極為敏感的力學設備，從而對普利斯特里的假設性學說進行了證明。后來，這個證明被稱為“庫侖定律”，它的內容是：兩個電荷之間所存在的作用力與這兩個電荷所帶的電量成正比，而與兩個電荷之間的距離的平方成反比。同時，庫侖發現，他的定律也適用于磁吸引現象中的作用力。

電究竟是什么東西呢？由于每個萊頓瓶都只能放一次電，因此這使所有的研究都變得相當困難。19世紀初期，這些不利條件發生了轉變，而這一切都歸功于意大利物理學家阿雷桑德羅·伏特的研究成果。伏特早就對電這種被冠以“動物之電”的神秘力量持一種無神論的客觀立場。伏特的發現是他的朋友和同鄉呂基·加法尼對外公開宣布的。加法尼早已用金屬實驗工具對青蛙的大腿進行過深入的研究，并在試驗中發現青蛙的腿部肌肉在被觸碰的時候會發生一陣自然抽動。于是，加法尼便猜想，這是因為金屬工具把某種電流釋放了出來。在重復進行了加法尼的實驗之后，伏特便開始確信電并不是由青蛙的肌肉組織產生的，而是由潮濕的環境以及研究試驗中不同的金屬工具同時導致的。

為了找到答案，伏特實施了另外一個更為直截了當的實驗：他把不同種類的金屬的合金（如銀和錫、銅和鐵等）放在自己的舌頭上，它們帶來了一些苦苦的感覺。于是，伏特猜想這種感覺應該是電由一種金屬通過舌頭上的唾液流到另一種金屬時所產生的。根據伏特所進行的詳細記錄，不同的金屬合金會帶來強度不一的苦味感覺。此后，他還設計出了他原來進行的實驗的人造版模式，即把銀盤和鋅盤疊加在一起，然后在中間放一張浸泡過鹽水的紙，從而把兩個金屬盤隔開。這個實驗的結果是一股連續性電流的產生。

最早運用伏特的研究成果的科學家之一是英國化學家漢弗萊·戴維。戴維以其頗具創造性的氣體實驗聞名遐邇，而電堆的可能性研究激起了他極大的興趣——如果化學反應能夠發電，那么電本身能否與物質發生反應，從而把它們分離成這些物質的組成元素？

戴維建成了一個巨大無比的電堆，并為多種化合物（如碳酸鉀）通上電流。他發現，在被連上電池電線的一塊碳酸鉀中，有很多發亮的金屬滴狀物開始形成，并爆向空氣。他已經發現了一種新的化學元素——鉀。同時，戴維也把其他化學元素分離出來，如鈉、鈣、鍶、鋇、鎂、硼和硅等。他開始確信自己所說的：“化學和電力吸引現象是由同一個原因造成的。”

在戴維的眾多科學遺產中，還有另外一個觀點，即化合物中的原子是通過某種電力作用而結合在一起的。這個觀點得到了法拉第的擁護和支持。在戴維因一次實驗事故炸傷了臉從而造成暫時性失明之后，法拉第受聘擔任其助手。

誕生于1791年的邁克爾·法拉第是一名鐵匠的兒子。法拉第自幼體弱多病，13歲的時候被迫退學，成為一名裝訂商的學徒。在那個時候，他閱讀了很多科學書籍。與此同時，他繼續聆聽由戴維主講的一系列化學講座。在整個講座過程中，法拉第總是一直保持著全神貫注的狀態，并做了非常詳細和全面的筆記。

當戴維在實驗事故中受傷而需要一名助手的時候，法拉第便被推薦去擔任這一職務。考慮到法拉第所記的筆記頗能反映出他的機敏，戴維雇用了他。當時，戴維正要去歐洲大陸進行一次為期18個月的巡回演講。于是，只有22歲的法拉第被他帶在了身邊。對于能夠聽到戴維的演講以及對戴維的實驗進行觀察，法拉第感到非常榮幸。此外，他還能夠與當時歐洲最偉大的科學家進行面對面的接觸。

其間，法拉第開始著手對自己的研究項目進行研究，尤其是對電和磁之間的關聯性的研究。1820年，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特發表了一篇關于在磁鐵旁的電流可以使磁鐵與電流方向形成直角的論文。法國物理學家安德烈·瑪麗·安培繼續進行奧斯特的研究項目，并在1821～1825年期間的實驗研究中發現了電與磁之間的基本關系原理。安培在實驗中發現，兩根通著同一方向電流的電線之間發生了磁力吸引，而當電流變成相反的方向時，兩根電線則互相排斥。在把電線纏繞成線圈，并再次使其通電時，安培發現他已經做成了一個電磁鐵，因為纏成線圈之后的磁力增加了很多。同時，把線圈纏在一塊鐵條上同樣可以使這個磁體的磁性變得更強。于是，安培認為磁力來源于把所有原子在電線和鐵塊上排列起來的電流。

在奧斯特旋轉羅盤的基礎上，法拉第不由得提出了這樣一個問題：既然電能夠引起磁效應，那么磁能否用來發電呢？在給一根鐵棒纏上電線線圈之后，法拉第把一對磁力很強的磁鐵在電線線圈方向上進行移動。一個專門用來檢測電流的檢流計顯示，電線圈中已經產生了電流。此后，法拉第對這個模型進行了改進，他把兩塊磁鐵固定下來靜止不動，在兩塊磁鐵之間放置一個銅制圓盤，通過轉動磁鐵之間的銅制圓盤就能夠產生電流。產生的電流被連到一端固定在離旋轉圓盤邊緣較近的地方，另一端則連接到圓盤旋轉的軸心上的電線上。

于是，法拉第研制出了第一部電磁發電機。在19世紀的整個歷史進程中，人們利用電磁感應原理發明了許多新的引擎和機器，而這些新發明給運輸和通訊領域帶來了革命性的變化。

那么，發電機是如何運作的呢？法拉第對這個問題進行了長達數年的研究。他當時并不知道電子的概念，而正是電子微粒的運動組成了電流本身。法拉第曾經進行了如下的猜想：當電流通過某種物體的時候，會使這些原子作用力場處于一種緊繃的壓力狀態；而在原子把電流傳給下一個群簇之后，這種緊繃的壓力狀態就可以解除。電沿著緊繃的線路通過導電物質的道理，就好像水波紋在通過水面的時候總會保持其高峰狀態一樣，移向岸邊的不是水本身，而是能量。因此，法拉第認為這種方式可能就是閃電發生的原理和靜電產生的真實方式，同時也是電流通過電堆時的唯一方式。盡管法拉第對于電的本質沒有一個非常清楚的概念，但是他的回答已經非常接近正確答案了。