以蒸汽机为代表的第一次工业革命,让人类走出了以人力和畜力为动力来源的时代,但是蒸汽机的效率还是低下,依然无法满足工业革命对巨大能量的需求,于是以电力为工业主要动力的第二次革命开始了,这个以能量和信息的发明彻底改变了人类历史。
从能量角度看,电的发明为工业革命注入了新的动力。从信息角度,电的普及带来了通信革命,电信业的发展加速了人类发展的进程。那么人类是如何发现并利用电呢?接下来我们通过拆解四个电学史上的伟大瞬间,了解人类是如何认识和改造电这个能量的。
(一)电的本质发现
世界上第一个揭示电本质的人是本杰明-富兰克林。富兰克林其实大家很熟悉,美国国父、1776年美国独立宣言起草人之一,他还是一个伟大的科学家,甚至是电学领域的牛顿。与他同时代的法国经济学家是这样评价富兰克林:“他从苍天处取得闪电,从暴君处取得民权”。那么他做雷电实验是什么方法呢?简单来说,他并不是简单的放风筝取得闪电,而是将雷电引入到莱顿瓶(简易电容器)中,将收集的雷电做各种电学实验,证明天生的雷电与人工摩擦产生的电本质是相同的。富兰克林虽然是民间科学家,没有受过良好教育,但是在他从事印刷业过程中,大量的阅读和学习建立了自己的知识体系,他做科学研究不是业余,而是遵循一整套完整科学方法。
(二)电的创造
要研究电,那就必须把电创造出来并存储,这就是电池的发明。电学历史上第二个伟大的瞬间。早在古希腊人们就发现了静电存在,毛皮摩擦琥珀能够吸引细小的东西,但是直到18世纪人们仍然停留在静电层面,没有突破。
到了18世纪80年代,意大利科学家伽尔瓦尼在解剖青蛙时发现两种不同的金属接触青蛙会产生微弱电流。这是人类历史上第一次发现流动的电流,但是当时的伽尔瓦尼以为这是生物电,忽视了。意大利物理学家伏打发现后,意识到这可能是由于两种不同金属有电势差,产生的流动电流,而青蛙的作用是电解质。于是伏打在1800年,用盐水代替了青蛙,将铜和锌两种不同的金属放在盐水中,产生了电流。这个电势差非常小,只有0.7V,于是他接着讲6个这样的单元串联,获得了超过4V的电压电池。电学的研究开始有了质的飞跃。
(三)电的利用
电的利用主要涉及两项重大发明,一个是发电机和电动机。发电机的本质是将其他能源转变为电能,电动机的本质是将电能转变为机械能推动机器。这两种发明创作都是建立在电磁学理论基础之上的。
关于电和磁的关系,是被丹麦物理学家汉斯-奥斯特偶然发现,1820年,在给学生上完课收拾仪器,无意间发现通电的导线旁边的磁针会改变方向,发现了电流的磁场效应,这就是电动机的工作原理。把电磁关系推向高潮的是法拉第,他发现了磁生电现象,也就是变化的磁场会产生电场,为发电机的发明提供了基础。但是天才的法拉第他数学不好,最终电学的理论大厦由英国的著名科学家麦克斯韦完成。
麦克斯韦用数学公理化的方式将安培、法拉第、亨利等人的电磁理论体系化,把电、磁和光用一组方程式统一起来。这是继牛顿之后,物理学的第二次大统一。
(4)电的普及
世界上第一台能够工作的交流发电机是由德国发明家商业巨子西门子设计的,1866年,受到法拉第等人研究成果工作启发,发明了交流发电机,由自己公司开始制造,从此人类开始大规模应用一种新的能量——电能,并由此开启了电力时代革命。1891年,美国著名发明家尼古拉-特斯拉发明了多相交流发电机,为全美国提供照明和动力。
小结:
1、从富兰克林的身上我们发现,同样是做事,遵循一整套科学方法在工作中是非常有必要的,2、能够从理论上解释现象,比发现现象有时更重要,麦克斯韦的科学地位极为崇高的原因在于他用麦克斯韦方程解释了现象,这就为成功找到了科学指导方法。
网友评论