第一台起电机,居然出自日理万机的市长之手!

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-07-05

著名的马德堡半球实验也要归功于他。

17世纪初,科学家们投入到对电的系统研究中。开始的时候,研究只限于静电方面。当时,获得电源的唯一方法是摩擦起电。摩擦起电得来的静电很少很少,要做稍大型的电学实验根本就不可能。所以,科学家们在这一需求的压力下,想法改进当时的摩擦起电工具。

怎样才能方便快捷地获得较多电源呢?欧洲许多科学家都开始动脑,其中还包括一位特殊的人物,他就是德国马德堡市的市长盖里克(注一)。他的想法很直接,就是制作起电机。

盖里克

爱科学的市长盖里克(图片来源:Wikipedia)

所谓起电机,是指利用人力或小动力摩擦获得静电的机械。同为产生电流的机械,发电机利用电磁感应产生大电流的交流或直流电,可用于生产生活中;而起电机只能产生较小的电流,主要用于实验。两者目的相同,但原理不同,某种意义上说,起电机是发电机的“鼻祖”。

酷爱科学的市长

盖里克市长制作起电机不是心血来潮,更不是作秀。

他本是莱顿大学的高才生,学生时代起就对科学很感兴趣。他当了35年市长,也搞了35年科学研究。这种情况在世界上也属罕见。他于1650年发明了抽气机,后来又用它做了著名的马德堡半球实验,证明了大气压强的强大,推翻了之前亚里士多德提出的“自然界厌恶真空”的假说。

1660年,时年58岁的盖里克开始研究静电。电学在当时非常流行,作为物理学家的他也投入电学研究中。某天傍晚,盖里克推掉应酬,再次走进自己的实验室,准备做电学实验。当他用手指拈住一块很小的琥珀时,一点很小的噼啪声传了过来。细心的他关掉所有灯,连续把琥珀拈起又放下。这时他发现新的现象:伴随噼啪声的,还有微弱的闪光。

琥珀

摩擦过的琥珀生电,吸引羽毛(网络图)

“这闪光和声音,应该意味着静电被释放了。”盖里克想到这里,脑海中又冒出新的问题:用手指摩擦琥珀产生的电流太少,且麻烦,这种方式获得电流不实用。

“这点电量,连实验用都不够,更不要说其它了。如果制造一个既省事,电量又多的摩擦起电机那以后实验就方便多了。”盖里克萌发这样的想法。

简单实用的起电机

说做就做。经过一年多的研究,盖里克终于发明了一个简单实用的摩擦起电机。

他的发明分两步。第一步是是制作电源器。虽然琥珀是电源器的最佳材料,但价格太贵,用作器材很不现实。经过反复实验,他决定用硫磺来代替琥珀。

盖里克先把硫磺敲成碎片,并放进比脑袋还大的球形玻璃瓶中。然后,在实验室里对球形玻璃瓶进行加热,使硫磺熔化。硫磺熔化后一发现有空间,就不断添加硫磺,直到球形玻璃瓶被硫磺填满。此时,他向瓶中插入一根木柄。待球形玻璃瓶冷却后,他用锤子把瓶子打碎,得到一个巨型的黄色硫磺球。此球有两个特点:一是木柄可以手持,也可以做架子;二是球的一端是正极,一端是负极,方便做不同的实验。

第二步是产生静电。盖里克把黄色硫磺球放在一个木制的托架上,这样就做成了一个简单的摩擦起电机。接着,他左手握住木柄让黄色硫磺球绕轴旋转,右手按在球面上,通过手掌与黄色硫磺球的摩擦产生静电,并让其贮存到黄色硫磺球里。

盖式起电机。

盖里克发明的硫磺起电机(网络图)

摩擦起电机首次运用便引起轰动。在那个宽阔的实验室里,他先从木架上取出贮存着静电的黄色硫磺球,再拿着它的轴,用正极吸引羽毛。接着,他用硫磺球的负极排斥羽毛,让它们在空中飘浮。飘飞的羽毛像活着的鸟儿一样。观看的同僚们都惊得说不出话来,继而爆发出掌声,他们对盖里克市长的精彩表演表示叹服。

“原来,羽毛喜欢靠近它前面任何物体的尖端,并且能够让它粘着物体的任何突出部分。这应该是电起作用了。”人家看热闹,盖里克却在思考。

待众人离开后,盖里克再次进行实验。他在桌上点一支蜡烛,当羽毛与烛火约一掌宽的距离时,羽毛突然后退,飞向带电的硫磺球。

“通过这个起电机,我已经知道物体的尖端对电的特殊作用了!”盖里克飞快地记录了下来。

在今天看来,尽管盖里克发明的起电机是那么简单,但在当时已是很了不起的发明,因为它标志着科学研究手段的进步。作为人类制造的第一个起电机,它帮助人类观察到许多重要现象,并为后人创造更大型、更先进的发电机提供了参考。

由此,电磁学发展的青史上,盖里克占有一席。

后来的故事

盖里克发明的摩擦起电机,引起了社会广泛的关注。应政府部门邀请,他公开表演关于起电机的实验,王公贵族、平民百姓都很喜欢观看。教授们用硫磺起电机演示静电实验,学生们非常感兴趣。据说,有几个大学教授演示起电机实验时,由于观众占了座位,学生们只好站在过道或教室外观看。

社会关注之外,对摩擦起电机最感兴趣的还是科学家。继盖里克之后,科学家们纷纷改进摩擦起电机,并取得了很明显的效果。

几十年后,苏格兰物理学家戈登经过多次实验后,对硫磺起电机进行了改装。为提高转动的速度,他用圆柱体代替硫磺球,转速每分钟超过600圈。圆柱体起电机产生的电流,可以杀死小鸟。后来,他的朋友把圆柱体玻璃瓶装在脚踏板上,并且用皮革垫子代替手掌摩擦,这样起电机完全实现了机械化。戈登用圆柱体起电机发电,在集会上点燃酒精灯,广受欢迎。

硫磺起电机之后影响较大的莫过于圆盘式静电感应起电机。它是英国科学家维姆胡斯于1882年研究多种起电机后制成的,其优势主要有两点:一是玻璃圆形板上的两轴可以反向转动,转速比圆柱体起电机的还高;二是能产生较大的电流,甚至可以杀死小猪。此机诞生后,主要在课堂演示静电现象和节目中的空气放电现象表演使用。圆盘式静电感应起电机一直沿用至今。

圆盘起电机

圆盘式静电感应起电机。(网络图)

话说盖里克发明的摩擦起电机虽然能够产生静电并进行放电实验,但他并不清楚哪些物体可以传电哪些物体不能,也不清楚电到底能不能传输。只有弄清楚这些问题,电学实验才有充分的理论依据,实验效率也更高。这些问题是谁解决的呢?且看下回《电会跑,还择物?发现者居然是花甲老翁!》

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【备注】

1、 奥托·冯·格里克(1602年11月20日~1686年5月11日),德国物理学家、政治家,就读于莱布尼兹和莱顿大学,曾于1646年~1676年间任马德堡市市长。就任之后,兢兢业业地工作,不遗余力地架建桥梁,建造要塞。此外,他亲自动手种田,以生产当时奇缺的粮食。


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