揭开电磁学研究序幕的,竟是英女王的一位御医!

—— “电磁学大咖”系列之一
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-09-26

一位宫廷御医却在电磁学上成就卓著,曾被伽利略称为“伟大到令人妒忌的程度”,他到底有啥神通呢?

  作为研究电和磁相互作用及其规律的物理学分支学科,电磁学由原来互相独立的电学、磁学发展而来。电磁学在现代生活中应用非常广泛,各类电动机、扬声器等运用了其科学原理。

  尽管人类对电和磁的认识有上千年历史,但真正从科学角度钻研电学,为“电”命名,并由此拉开电磁学研究序幕的,却是位喜欢科学的医生……

吉尔伯特画像(来源于网络)

这位神奇的医生画像(网络图)

“磁”力大比拼

  公元1588年,英格兰东南部的科尔切斯特市里,人们在盛传一条消息:英格兰人吉尔伯特将与意大利人波尔塔进行一场关于“磁”的实验比赛!

  这可是件新鲜事儿!大家还都不太了解“磁”是个啥,这两人却要为它展开大比拼了!

  毕业于剑桥约翰学院的吉尔伯特原本是名医生,年轻时就因医术名满欧洲。中年时,这位名医却对磁力学产生了浓厚兴趣。当时,各国科学家对磁学主要停留在“仅磁石或磁石磨过的铁才有磁性”这个认识上。而吉尔伯特秉承了医生的严谨,经过反复试验,得出结论:磁石可以让铁丝变成指南针。

  吉尔伯特公开这个结论后,收到一封意大利人波尔塔写的信。信中说,这个理论不足为奇,铁丝在金刚石上摩擦后,也可以变成指南针……

磁石

  可以让铁丝指示南北的磁石(网络图)

  “岂有此理!”对这个“无稽之谈”,吉尔伯特本想不予理会,但不想波尔塔将自己的结论公布了。吉尔伯特也不示弱,于是决定和波尔塔进行一次公开的实验比赛,让事实说话。

  比赛在科尔切斯特市市区的一个广场举行。吉尔伯特和波尔塔站在台上,台下聚集了不少好奇的市民。

  比拼实验开始了。吉尔伯特的实验分三步:第一步是把一块很轻的软木塞放在盆里,任其飘在水上;第二步是把铁丝放在磁石上反复摩擦;第三步是把摩擦后的铁丝插进软木塞里。这时,只见带着铁丝的软木塞在水盆中晃了几下,停了下来。大家围上去一看,铁丝一端指向北方,另一端指向南方。

  “请波尔塔先生试试!”吉尔伯特大度地说。波尔塔从地上拿起金刚石,使劲摩擦,过了很久,他把磨过的铁丝插进软木塞里,软木塞一动不动,更不说指示南北。红着脸的波尔塔向吉尔伯特敬了个礼,转身离去。人群爆发出喝彩声!喝彩观众中的投机分子,则把磁力实验运用到魔术中,以赚取市民的钱财。

  获胜的吉尔伯特再接再厉,于公元1600年出版《论磁》一书。此书系统不但阐述了关于“地球本身是一个巨大的磁体”理论,还记载了用一个大磁石模拟地球完成的“小地球实验”,被认为是磁学方面的开山之作。

吉尔伯特发现的地球磁场情况(网络图)

  吉尔伯特提出的地磁场示意图(网络图)

  值得一提的是,当时的科学界对吉尔伯特研究的磁学并不感冒,更没人专门研究磁学。因为大家都热衷于钻研另一门科学。

巧命“电”之名

  话说在吉尔伯特与波尔塔进行实验比赛前后,科学家们钻研的另一门科学就是电学。而电的发现乃至命名,吉尔伯特亦功不可没。

  在吉尔伯特以前,科学家们一直认为电和磁是不相关联的两门学科,很少有人把两者联系到一起。

  相对磁而言,人们对电的认识更早。闪电是人类最早看到的电。不过雷电究竟是什么,古人并不清楚:西方人认为它是“上帝之火”,中国人信奉“雷公电母”。人类最早获得的电是摩擦产生的静电:公元前6世纪,古希腊人在佩戴首饰时就发现,用毛皮摩擦过的琥珀能吸附线头等轻小物体。

雷电,是人们认识到的最早的“电”(网络图)

雷电,是人们认识到的最早的“电”(网络图)

  年轻的吉尔伯特是个酷爱读书的人。他从东方传来的书籍中了解到“顿牟掇芥”、“解结有光”两种现象时,感到非常兴奋。“顿牟掇芥”原载于《论衡》一书中,“顿牟”就是琥珀,“掇芥”就是拾起微小的物体。“解结有光”原载于晋代大文豪张华的 《博物志》一书:黑暗中用漆过的木梳梳头,或穿、脱丝绸及毛皮质料的衣服时,不但能看到火星子,还会听到噼噼啪啪的响声。

琥珀具有静电效应( 网络图)

琥珀具有静电效应( 网络图)

  吉尔伯特对这两种现象早就想研究了。

  经过大量实验,吉尔伯特明晰了电和磁的区别:磁主要是吸引和排斥,而电只有吸引;电的吸引比磁更普遍,不少物体经摩擦都可以带电,而磁只能吸引如铁一样的特殊物质。

  “既然琥珀经摩擦后可以轻微物质,那其它物体也是不是具有与琥珀一样的功能呢?”吉尔伯特突发奇想。很快,他找来水晶、硫磺、玻璃等物体,分别用丝绒进行摩擦。不出所料,它们都可以吸引轻微物体。

  “看来这种吸引力并非琥珀独有,而是普遍存在于物质内部的东西。这倒底是什么东西呢?”吉尔伯特陷入冥思苦想中,吃饭在想,躺在床上在想,连走路也在想。来到河边,看到滔滔流走的河水时,他突然有了思路:水无形状,但无孔不入;琥珀等物体吸引轻微物体的力,不就像水一样吗?

  吉尔伯特认为:类似产生琥珀之力的东西,可能就是物体内部的“隐形水”;受到摩擦后,“隐形水”被挤了出来,表现为与轻微物质融合在一起。

  吉尔伯特还决定给这种东西取个简单明了的名字。 “应该取个什么名字呢。总不能叫‘琥珀之力’吧?”这名字太啰嗦,又有以偏概全之嫌。于是,吉尔伯特根据希腊文字Elektra(汉语即“琥珀”)的字根,引入了一个简练的英文名词:electric。这个单词,就是沿用至今的科学概念——“电”。

电

现在“electric”的名称已经随处可见(昵图网)

后记

  为电命名的吉尔伯特继续研究电学。为了检验物体是否带电,他研制了世界上第一支验电器,结构是这样的:用很细很柔软的绝缘细线吊着金属针的中端,让针可以自由转动;当经过摩擦的物体向针靠近时,如果物体带电,针就转动起来,反之则不转。由于这个验电器的灵敏性非常高,所以用它检验物体是否带电,很准确。

古老的验电器(来源于视觉中国网)

古老的验电器(来源于视觉中国网)

  吉尔伯特在电和磁的探索上取得了很多成绩,伽利略就曾称他是“伟大到令人妒忌的程度”。但是,普通人对他更为推崇的仍然是医术。1601年,英国女王伊丽莎白一世慕名召吉尔伯特进皇宫担任御用医生,但两年后,1603 年12 月30 日,吉尔伯特就在伦敦逝世了,享年59岁。

  尽管吉尔伯特首创“电”这个名字并,拉开了电磁学研究的序幕,但他的研究主要停留在静电上面,也没想到保存静电的方法。如果保存静电,请看下集:《马森布洛克意外发明莱顿瓶》

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