静电的电
“电”在英文里叫做“electric”,它源自于英国医生威廉·吉尔伯特的相关工作。吉尔伯特为电学和磁学做了开创性的工作,被后世誉为“电学和磁学之父”。
为了纪念他,在国际单位制中,“吉尔伯特”被命名为物理量“磁动势”的单位。磁动势在磁现象中的作用,可以粗略的理解为,电现象中的电动势,或电压的作用。
闪电的电
在英语里“闪电”叫作“lighting”,意味“照亮”,而“电”叫作“electric”。从词源上就可以看出,吉尔伯特建立“电”的概念时,并没有意识到“闪电”和“电”有任何关联。
汉语里“电”和“闪电”用了同一个字,这是因为“electric”一词传入中国被翻译的时候,人们已经知道天上的闪电和地上发电机产生的“电”是一回事,所以就直接用“闪电”的“电”翻译了“electric”一词。
中国古人虽然发现和记录了“摩擦起电”现象,但并没有形成“静电”、“电流”这样的概念。在汉语里,“电”就是指指闪电、雷电,说文解字里对电的解释是“陰陽激燿也。从雨从申”。
电鱼的
当然古人也发现了“电鱼”,他们往往用接触到电鱼后,产生的刺痛,裂开,震惊等感观体验,来给电鱼命名。
例如古埃人将“电鱼”称之为“愤怒的鲶鱼”,被认为是尼罗河鱼群的保护神,他们还用电鱼来治疗关节疼痛。在公元前3100年的埃及法老那尔迈的墓室壁画中,就有关于电鱼的记载。
而在公元12世纪,阿拉伯人似乎已经意识到电鱼和雷电有某种关系,一位医生将电鱼称为“raad”,这和“雷声”是同一个单词。二、吉尔伯特
医学生涯
1544年5月24日, 威廉·吉尔伯特出生在英国东南部的科尔切斯特市,他的父亲叫杰罗姆·吉尔伯德,是当地的一名法官。19岁时,威廉吉尔伯特进入剑桥大学圣约翰学院学医,25岁时获得博士学位,并留校工作了一段时间。
随后开始在在欧洲大陆做旅行医生。他见过很多的病症,他善于临床实践和总结经验,很快就练就了一身高明的医术。在行医四年后,也就是1573年他29岁时,就当选为英国皇家内科医学院的院士 。
这段经历,使得吉尔伯特对于实验和经验观察形成了坚定的信念。长期跟药物打交道的他对化学产生了兴趣,开始在业余时间进行化学研究。
实验传统
1581年,一名英国水手罗伯特·诺曼出版了一本名为《新吸引》的小册子,记述如何准确的用指南针导航,其中包括他测量磁场方向和地平线的夹角,以及如何改进指南针的方法,现在有一座月球陨石坑以他名字命名。
吉尔伯特接触到这本小册子之后,立刻现象产生了兴趣,他称罗伯特·诺曼为航海专家和天才的技师。在这本书的影响下,他转变研究方向,开始研究磁现象,在这个过程中他发现了电和磁的区别。
吉尔伯特充满了好奇心和批判精神,称盲目信仰权威的人为白痴和坚持错误的庸人。他提倡自己动手进行实验和观察,这源自于他的医学经历。因此有人说,医学才是最早的实践科学。
吉尔伯特与培根一起被称为现代科学实验方法的先驱,开创了英国实验方法的传统,也正是从哲学思辨到科学实验的转变,开启了现代化的进程。
功成名就
1600年,吉尔伯特当选为皇家内科学院院长,同时出版了六卷本的《论磁铁、磁性物体和大磁铁》一书(简称《论磁》),系统的讲述了他近20年的研究成果。这本书用拉丁文写成,在当时所以流传并不广泛,但对后世影响极大。
次年,吉尔伯特被聘请为女王伊丽莎白一世的御医,直到女王去世。吉尔伯特还在女王面前展示了他的磁学和电学实验,此时吉尔伯特的人生达到了巅峰。
遗憾离世
1603年11月30日,吉尔伯特在伦敦去世,年仅59岁,死亡原因是感染鼠疫。他被葬于故乡科尔切斯特圣三一教堂,但现在这座教堂被改造成了咖啡馆。(因为1582年教皇调整过一次历法,所以按照新历他的去世日期是12月10日)
遗稿后来被整理成《关于月下世界的新哲学》一书出版,这本书里他尝试用磁力来统一解释宇宙,其中充满了各种未经证实的假设。
磁学研究
吉尔伯特将以往的所有关于磁学的知识进行归纳汇总,并重新做了大量实验,在后半部分又有做一些大胆猜测。不完全统计,《论磁》一书中涉及到以下观点:
他重复了帕雷格里纳的工作,将磁铁石进行切割,发现无论切割多少次,都会变为新的磁铁石,它们总是存在南北两个磁极。并明指出“同名磁极相互排,异名磁极相互吸引”
通过实验提出了给锻打铁加上磁性和加热消磁的方法
他认为地球是一个大磁铁,上面为一层水、岩石和泥土覆盖着,这正是指南针能够指南北的原因。而以往的人认为指南针是受到北极星或是北极大磁山的影响,才指向南北的。
他认为北极大陆上有一座巨大的磁山,它影响了指南针,这正是磁偏角产生的原因
他按照马里古特用磁铁石制作了一个地球模型,命名为“terrella”,意为“小地球”。他将可垂直旋转的小磁针在小地球上移动,发现磁倾角与实际情况相符合。
吉尔伯特同意哥白尼日心说,他认为是某种磁力驱动使得地球自转,从而产生了昼夜变化和天球运动。从现代观点来看,他正好说反了,地球的磁场正是由于地球自转而产生的。
他认为地球的磁力向外弥散,距离越近,磁力越强,这可以说是磁场概念的源头。同时他认为地球在一定范围内吸引并排斥月球,使得月球可以不断运动下去。后来开普勒曾用这个观点来试图解释行星运动的引力。
- 吉尔伯特认一块均匀的磁石,其磁力大小与磁石大小成正比,这是第一次将描述物质多少的物理量独立于重力提出来,为后来的区分质量与重量做了铺垫。
·提出“电”的概念
在《论磁》一书中吉尔伯特指出,磁铁只能够吸引铁,能够指南北。而摩擦过的琥珀能够吸引多种轻小物体,却不能指南北。因此,这是一种不同于磁力的特性,吉尔伯用拉丁语将其命名为“electrus” 。
“electrus”是13世纪从希腊文Ηλκτρινο的发音“electron”引入 的 ,本意为“像琥珀一样的颜色”。吉尔伯特用它来表示像琥珀一样吸引的特性。
其实希腊并不是琥珀的原产地,他们是通过与腓尼基人的商贸活动的,希腊语中琥珀一词叫做Ηλκτρινο(音electron),可能就来源于腓尼基语elēkr,意为闪耀光芒,这正好符合琥珀的外观。
1646年英国哲学家托马斯·布朗借用“electrus”一词,发明英文单词“electricity”来表示“电学”。后来随着电学的发展electr就逐渐成为英语里“电”的词根,比如electric表示带电的,electrcity表示电学,electron表示电子。
发明验电器
吉尔伯特还发明了第1台验电器。他将小铁针撑起来,让它可以自由旋转。当带电物体靠近铁针时,铁针就会旋转,指向带电物体。这种验电器被使用了100多年。
吉尔伯特验电器
在对大量材料进行摩擦起电实验后,吉尔伯特将他们分为两类,一类是“摩擦带体”,比如玛瑙、宝石、树脂、硫磺等;而另一类被称为“非摩擦带电体”比如铜、铁等金属。
电流体假设
吉尔伯特认为,“摩擦带电体”在摩擦后会产生一种没有重量的“电流体”,这种“电流体”流向另一个物体时,就产生了吸引力。而非摩擦起电体不能够产生“电流体”
正如培根,罗伯特·诺曼只是传统的工匠,他有所发现和发明,但没有理论解释。而吉尔伯特则前进了一步,他根据实验结果,提出了物理模型来解释一切。但吉尔伯特并没有将对假设进行新的实验验证,他的实验方法是不彻底的。
他的观点也有很多错误的地方,比如他认为带电体只能吸引,不能排斥;物体分为可摩擦起电和不可摩擦起电两类;认为水晶是由冰压缩后形成的。
从历史发展来看,吉尔伯特区分了静电力和磁力,他提出了电学和磁学的很多基本概念和概念雏形真正的打开了电学的研究大门。
但另一方面吉尔伯特认为电和磁是两种本质不同的存在,在其影响力扩大后,反而阻碍了人们对电和磁的关联的进一步探索。后来库伦、安培等人都被这种思想所束缚。